Negli ultimi anni, il mondo aerospaziale, inclusi aerei commerciali e militari, satelliti, veicoli spaziali, droni e veicoli aerei senza pilota (UAV), ha subito alcuni cambiamenti radicali. Sempre più aziende si stanno unendo alla corsa allo spazio, molte delle quali richiedono tecnologie di produzione innovative.
Al contrario, l'impatto delle restrizioni di viaggio sull'aviazione commerciale causate dalla nuova epidemia di corona ha fatto diminuire di un terzo il tasso di produzione di aeromobili civili.
Nel 2019, l'Europa è stata uno dei leader mondiali nella produzione di aerei civili ed elicotteri, inclusi vari componenti e motori aeronautici, supportando circa 400{2}} posti di lavoro e generando ricavi per 130 miliardi di euro. Mentre l'esplorazione e la difesa dello spazio sono rimaste in gran parte inalterate dalla pandemia, la produzione di aerei civili è ancora in ripresa.
Nel "Uncertainty in Commercial Aerospace" (Uncertainty in Commercial Aerospace), pubblicato nel febbraio 2023, McKinsey, nota società di consulenza e ricerca, ha riferito che il mondo ha bisogno di digerire la costruzione di 9.400 aerei passeggeri (principalmente jet a fusoliera stretta ) entro la fine del 2027. aeromobili) arretrato. Ma c'è incertezza sulla crescita futura del traffico aereo di passeggeri, sulla salute delle catene di approvvigionamento e della forza lavoro. Di conseguenza, i produttori devono aumentare l'efficienza e la flessibilità della produzione per gestire gli arretrati e rispondere ai futuri cambiamenti della domanda.
La capacità della lavorazione laser di aumentare la produttività e mantenere bassi i costi può svolgere un ruolo chiave nel consentire questa risposta da parte dell'industria aerospaziale. La lavorazione laser - operazioni sotto forma di taglio, saldatura, martellatura e perforazione - è diventata parte integrante della produzione aerospaziale.
Ad esempio, i laser vengono utilizzati per realizzare alette per ali di aeromobili, dispositivi di fissaggio delle ali, parti di motori a reazione e parti di sedili e vengono utilizzati anche per riparare turbine, pulire o rimuovere la vernice dalle parti e preparare parti per ulteriori lavorazioni. superficie della parte. Negli ultimi anni, anche la produzione additiva laser (AM) è cresciuta in popolarità nel volo spaziale. Inoltre, il mercato spera di migliorare la tracciabilità dei componenti aerospaziali e aumentano anche i requisiti per la marcatura laser.
Taglio e saldatura laser
Il taglio laser è un processo rapido, economico e preciso utilizzato per soddisfare i severi requisiti di produzione del settore aerospaziale.
Rispetto alla lavorazione tradizionale, il taglio laser ha un'elevata precisione, meno sprechi di materiale, velocità di elaborazione elevata, basso costo e minore manutenzione delle apparecchiature. Inoltre, massimizza la produttività in quanto rende rapide e semplici tutte le modifiche necessarie alla lavorazione.
I laser possono essere utilizzati per produrre parti di fissaggio delle ali, parti di maschere, parti di effetti finali, parti di utensili e altro ancora. È ugualmente adatto per piccoli componenti come guarnizioni dell'olio innestate e collettori per condotti di sfiato in titanio, nonché componenti più grandi come i coni di scarico. Può lavorare un'ampia varietà di materiali aerospaziali, tra cui alluminio, Hastelloy (nichel che è stato legato con elementi come molibdeno e cromo), Inconel, Nitinol, Nitinol, acciaio inossidabile, tantalio e titanio.
La saldatura laser è utilizzata anche nel settore aerospaziale come alternativa ai tradizionali metodi di giunzione come l'incollaggio e il fissaggio meccanico. Ad esempio, l'uso della saldatura laser di leghe leggere di alluminio e polimeri rinforzati con fibra di carbonio (CFRP) nella costruzione di aeromobili sta guadagnando terreno e viene utilizzato per sostituire la rivettatura ove possibile. Anche tecniche come la saldatura a tessitura laser hanno avuto successo nell'unire i serbatoi di carburante, migliorare l'efficienza e la resistenza dei giunti, ridurre le rilavorazioni e risparmiare molto denaro. Altri successi di saldatura nel settore aerospaziale includono l'unione del nucleo fuso di una pala di turbina alla piastra di copertura; e la creazione di un nuovo tipo di aletta alare leggera che aumenta il controllo del flusso laminare, riduce al minimo la resistenza e ottimizza l'efficienza del carburante.
La saldatura laser ha il potenziale per risparmiare sui costi, ridurre il peso dei componenti e migliorare la qualità della saldatura rispetto ai metodi tradizionali, e diversi produttori stanno attualmente prendendo in considerazione la saldatura laser per la produzione di parti della cellula.
Lpulizia dell'aser
I produttori del settore aerospaziale utilizzano la pulizia laser per rimuovere strati di superfici metalliche e composite in preparazione alla lavorazione, per rimuovere rivestimenti o corrosione e per rimuovere la vernice da componenti di grandi dimensioni o interi aeromobili prima della riverniciatura.
Durante il processo di pulizia, il laser viene assorbito ed evaporato dalla superficie metallica, ottenendo così l'ablazione del materiale superficiale, pur avendo scarso effetto sul materiale dello strato interno, e non causerà danni termici accidentali ai componenti. I laser a fibra pulsata nella classe dei kilowatt sono particolarmente adatti per la pulizia laser rapida: consentono una pulizia efficiente e ad alta precisione di un'ampia varietà di materiali tra cui ceramica, compositi, metalli e plastica.
Negli ultimi anni è aumentato l'uso di materiali compositi negli aerei, così come la necessità di unire metalli a materiali compositi. Nella produzione aerospaziale, gli adesivi possono essere utilizzati per unire questi due materiali diversi. Per creare un forte legame, le due superfici devono essere accuratamente preparate prima dell'applicazione dell'adesivo.
La pulizia laser è l'ideale perché crea una finitura superficiale riproducibile e strettamente controllata che consente un'adesione uniforme e prevedibile. Tradizionalmente, questo sarebbe fatto attraverso tecniche di sabbiatura distruttiva o l'applicazione di diversi prodotti chimici. Tuttavia, la pulizia laser ora offre un metodo in un'unica fase che non solo è più economico e produttivo, ma ha anche un minore impatto ambientale in quanto non sono necessarie sostanze chimiche tossiche o materiali di sabbiatura. La pulizia laser è anche molto più delicata sulle parti rispetto ai metodi tradizionali.
Pulizia laser di parti di aeromobili in metallo e compositoè anche più vantaggioso della sverniciatura chimica o delle tecniche di sabbiatura quando si tratta di sverniciatura. Durante la sua vita utile, un aeromobile può essere riverniciato 4-5 volte e potrebbe essere necessaria una settimana o più per rimuovere la vernice dall'intero aeromobile utilizzando le tecniche tradizionali. Al contrario, la pulizia laser può ridurre questo tempo a 3-4 giorni, a seconda delle dimensioni dell'aeromobile, e rende anche le parti più accessibili ai lavoratori. Inoltre, se utilizzata per la rimozione della vernice anziché per la sverniciatura chimica o la sabbiatura, la pulizia laser offre notevoli risparmi sui costi: migliaia di sterline per aeromobile, poiché i rifiuti pericolosi si riducono di circa il 90% o più e i requisiti di movimentazione dei materiali sono ridotti.
Pallinatura laser/pallinatura laser shock
Le sollecitazioni all'interno dei componenti metallici possono portare a un cedimento per fatica del metallo nei componenti degli aeromobili, come le pale delle ventole nei motori a reazione, che possono causare danni o lesioni. Questo può essere mitigato con una tecnica nota come martellatura laser.
In questo processo, gli impulsi di luce laser vengono diretti in un'area di concentrazione ad alto stress e ogni impulso accende una minuscola esplosione di plasma tra la superficie del componente e uno strato d'acqua spruzzato sopra. Lo strato d'acqua confina l'esplosione, che fa sì che l'onda d'urto penetri nel componente e generi sollecitazioni residue di compressione man mano che la sua area di propagazione si espande. Queste sollecitazioni contrastano la fessurazione e altre forme di affaticamento del metallo. Rispetto ai processi tradizionali, il rinforzo laser può prolungare la vita utile delle parti metalliche di 10-15 volte.
La martellatura laser è sempre più utilizzata nell'industria aerospaziale. Ad esempio, LSP Technologies e Airbus hanno sviluppato congiuntamente un sistema di pallinatura laser portatile che è stato recentemente testato e valutato presso l'impianto di manutenzione e riparazione di Airbus a Tolosa, in Francia.
Il sistema di martellatura laser Leopard prolungherà la durata a fatica inibendo l'innesco e la propagazione di cricche causate dallo stress ciclico delle vibrazioni. La flessibilità dell'erogazione del raggio in fibra ottica e gli strumenti personalizzati consentono al sistema di illuminare al laser aree difficili da raggiungere per gli aerei. Secondo i partner, il sistema è un passo avanti nella tecnologia di potenziamento laser che ne farà progredire l'uso, incluso il prolungamento della durata delle pale dei motori a reazione e altro ancora.
Anche il Fleet Readiness Center East (FRCE) della Marina degli Stati Uniti ha recentemente completato la convalida di un processo di pallinatura laser che è stato utilizzato con successo sul velivolo F-35B Lightning II. FRCE ha utilizzato il processo per rafforzare il telaio dell'F-35B Lightning II senza aggiungere altro materiale o peso che ne limiterebbe altrimenti le capacità di trasporto di carburante o armi. Ciò aiuta a prolungare l'aspettativa di vita dei caccia di quinta generazione, le varianti a decollo e atterraggio brevi utilizzate dal Corpo dei Marines degli Stati Uniti.
Lperforazione aser
I moderni motori aeronautici hanno circa 500,000 fori, circa 100 volte di più dei motori costruiti negli anni '80. Allo stesso tempo, i produttori di aeromobili stanno producendo un numero crescente di altri componenti che presentano un gran numero di fori per la rivettatura e l'avvitamento. Pertanto, nel settore aerospaziale, la perforazione laser ha un enorme potenziale di mercato, perché fornisce un processo preciso, ripetibile, veloce ed economico.
Ad esempio, sono in fase di sviluppo nuovi sistemi laser a femtosecondi ad alta potenza per la microforatura efficiente e precisa di grandi pannelli HLFC (Hybrid Laminar Flow Control) in titanio da montare su stabilizzatori alari o di impennaggio. Questi pannelli aspirano l'aria attraverso piccoli fori, il che riduce la resistenza all'attrito e riduce il consumo di carburante.
Poiché la foratura laser è senza contatto, il materiale da lavorare non deve essere fissato allo stesso modo degli utensili convenzionali. Un altro vantaggio di essere senza contatto è l'assenza di usura dell'utensile, che rappresenta un vantaggio particolare nelle operazioni di foratura per componenti CFRP. A causa della sua durezza, i componenti CFRP possono essere molto abrasivi per gli utensili convenzionali. La perforazione laser può essere eseguita anche a velocità molto elevate in modo che un danno eccessivo dovuto al calore non danneggi il materiale in lavorazione.
Aproduzione additiva
Anche la produzione additiva laser (AM) è stata rapidamente sviluppata nell'industria aerospaziale. In questa tecnica, i laser fondono strati successivi di polvere per costruire forme. Una società di missili con sede in California ha recentemente ordinato persino due 12-stampanti 3D a raggio laser per rendere le sue missioni spaziali più economiche ed efficienti creando componenti spaziali più leggeri, veloci e resistenti.
Mentre molti progetti sono ancora in fase di test, la produzione additiva laser è già stata utilizzata con successo in due missioni su Marte. Il rover Curiosity della NASA, atterrato nell'agosto 2012, è stata la prima missione a portare parti stampate in 3D su Marte. Si tratta di un componente ceramico all'interno dello strumento Sample Analysis at Mars (SAM), parte di un programma di test in corso per studiare l'affidabilità delle tecniche di produzione additiva.
Nel frattempo, il rover Perseverance della NASA, atterrato su Marte nel febbraio 2021, contiene 11 parti metalliche che sono state prodotte in modo additivo con i laser. Cinque di questi componenti si trovano nel Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry (PIXL) di Perseverance, che sta cercando segni di vita microbica fossile su Marte. Queste parti devono essere così leggere che le tecniche tradizionali come la forgiatura, lo stampaggio e il taglio non possono produrle.
La NASA ha anche sperimentato la produzione additiva laser di componenti di razzi. In uno studio, la camera di combustione di un motore a razzo è stata fabbricata da una lega di rame. Il continuo sviluppo di questa produzione additiva laser ha portato alla produzione della parte a circa la metà del costo e in un sesto del tempo richiesto per la lavorazione tradizionale, la giunzione e l'assemblaggio. Poiché la lega di rame utilizzata è altamente riflettente per i laser a infrarossi, la NASA sta ora studiando come i laser verdi o blu possano migliorare l'efficienza e la produttività.
Sebbene l'uso della produzione additiva nel settore aerospaziale sia ancora agli inizi, si prevede che crescerà nei prossimi 20 anni.
Testurizzazione laser
Anche la testurizzazione laser è un'applicazione molto nuova nell'industria aerospaziale. In questo processo, vengono utilizzati laser ultraveloci per creare micro-nanostrutture sulla superficie del velivolo attraverso una tecnica chiamata DLIP (Direct Laser Interference Patterning), che viene utilizzata per creare un "effetto loto" naturale, che crea nanostrutture che aiutano a prevenire la superficie contaminazione e prevenire la formazione di ghiaccio sugli aerei.
L'ottica innovativa suddivide un potente impulso laser ultraveloce in diversi raggi parziali, che vengono poi combinati sulla superficie da lavorare. Se osservata al microscopio, la microstruttura risultante assomiglia a microscopiche "sale" fatte di "pilastri" o ondulazioni. La distanza tra i "pilastri" è di circa 150nm a 30μm - questa struttura significa che le gocce d'acqua non possono più bagnare la superficie e attaccarsi ad essa perché non hanno abbastanza presa sulla superficie.
I vantaggi del materiale per gli aerei includono una maggiore repellenza all'acqua, al ghiaccio e agli insetti. Questi possono aderire alla superficie dell'aereo e aumentare la resistenza al vento dell'aereo, aumentando così il consumo di carburante. L'applicazione di questa testurizzazione laser ridurrebbe la necessità di trattamenti chimici tossici attualmente applicati alle superfici degli aerei per evitare la formazione di ghiaccio. È noto che invecchia e diventa soggetto a danni nel tempo. Inoltre, le strutture laser prodotte con il metodo DLIP possono durare per anni senza causare problemi ambientali.
