En els darrers anys, el sector aeroespacial -incloent avions comercials i militars, satèl·lits, naus espacials, drons i vehicles aeris no tripulats (UAV)- ha sofert alguns canvis radicals. Un nombre creixent d'empreses s'han sumat a la carrera espacial, moltes de les quals requereixen tecnologies de fabricació innovadores.
En canvi, l'impacte de les restriccions de viatge causades per la pandèmia en l'aviació comercial ha provocat una caiguda d'un terç de les taxes de fabricació d'avions civils.
El 2019, Europa va ser un dels líders mundials en la producció d'avions civils i helicòpters (inclosos diversos components i motors d'avions), generant uns 400000 llocs de treball i generant ingressos de 130.000 milions d'euros. Tot i que l'exploració i la defensa espacials no es veuen afectades en gran mesura per la pandèmia de la Nova Corona, la producció i fabricació d'avions civils encara es troben en fase de recuperació.
A la seva publicació de febrer de 2023, Uncertainty in Commercial Aerospace, la principal firma de consultoria i investigació McKinsey informa que el món ha d'absorbir un endarreriment de comandes per construir 9.400 avions de passatgers (principalment avions de cos estret) a finals de 2027. Però hi ha incertesa. sobre el creixement futur del transport aeri de passatgers, la cadena de subministrament i la solidesa de la força de treball. Com a resultat, els fabricants han de millorar la productivitat i la flexibilitat per gestionar l'endarreriment 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 a la indústria aeroespacial. El processament làser, en forma d'operacions de tall, soldadura, granallat i perforació, s'ha convertit en una part integral de la fabricació aeroespacial.
Per exemple, els làsers s'utilitzen per fabricar flaps d'ala d'avions, elements de fixació d'ales, components de motor a reacció i peces de seient, així com per reparar turbines, netejar o eliminar la pintura de les peces i preparar les superfícies dels components per a un posterior processament. En els darrers anys, la fabricació additiva làser (AM) també s'ha popularitzat cada vegada més en el sector del vol aeroespacial. A més, el mercat vol millorar la traçabilitat dels components aeroespacials i, amb això, augmenta la demanda de marcatge làser.
Soldadura i tall per làser
El tall per làser és un procés ràpid, rendible i precís que es pot utilitzar per satisfer els exigents requisits de fabricació del sector aeroespacial.
En comparació amb el processament tradicional, el tall per làser ofereix una alta precisió, menys residus de material, velocitats de processament més ràpides, menors costos i menys manteniment dels equips. A més, la productivitat es pot maximitzar perquè permet fer els canvis necessaris al procés de manera ràpida i senzilla.
El làser es pot utilitzar per produir peces de fixació d'ala, peces de fixació, peces d'efectors finals, peces d'eines, etc. És igualment adequat per a peces petites, com ara juntes d'oli d'empelt i col·lectors de tub pilot de titani, així com peces més grans, com ara com a cons d'escapament. Pot processar una 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'aeroespacial com a alternativa als mètodes tradicionals d'unió, com ara l'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 fabricació d'avions es valora cada cop més i s'estan utilitzant sempre que és possible per substituir les juntes reblonades. Tecnologies com la soldadura per làser swing també han tingut èxit en les connexions dels dipòsits de combustible, millorant l'eficiència i la força de la connexió, reduint la reelaboració i proporcionant un estalvi de costos important. Altres èxits de soldadura a l'aeroespacial inclouen la fixació de nuclis fosos de pales de turbines a les cobertes; i la creació de nous tipus de flaps lleugers que augmenten el control del flux laminar, minimitzen l'arrossegament i optimitzen l'eficiència del combustible.
Amb el potencial d'estalvi de costos, la reducció del pes dels components i la millora de la qualitat de la soldadura en comparació amb els mètodes tradicionals, diversos fabricants del mercat encara estan considerant la soldadura làser per a peces de fusteria.
Neteja amb làser
Els fabricants del sector aeroespacial utilitzen la neteja làser per eliminar capes de superfícies metàl·liques i compostes en preparació per al mecanitzat, per eliminar recobriments o corrosió i per eliminar la pintura de peces grans o d'avions sencers abans de repintar.
Durant el procés de neteja, la llum làser s'absorbeix i s'evapora per la capa superficial de metall, donant lloc a l'ablació del material superficial amb poc o cap efecte sobre la capa interna i sense danys tèrmics col·laterals al component. Els làsers de fibra polsada de classe de quilowatts són especialment adequats per a una neteja làser ràpida: poden netejar una àmplia gamma de materials, com ara ceràmica, compostos, metalls i plàstics, amb alta eficiència i precisió.
L'ús de composites a les aeronaus ha augmentat en els darrers anys, i també ha augmentat la necessitat d'unir metalls amb compostos. En la fabricació aeroespacial, es poden utilitzar adhesius per unir aquests dos materials diferents i, per tal de crear una unió forta, les dues superfícies s'han de preparar amb cura per al processament abans d'aplicar l'adhesiu.
La neteja amb làser és l'opció ideal perquè crea un efecte de superfície molt controlat i reproducible que és capaç d'aconseguir una unió consistent i previsible. Tradicionalment, això s'aconseguiria mitjançant tècniques de voladura destructiva o l'aplicació de diversos productes químics. Tanmateix, la neteja per làser ofereix ara un enfocament d'un sol pas que no només és més rendible i productiu, sinó que també té un impacte ambiental molt menor, 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.
La neteja per làser de components metàl·lics i compostos d'avions també és més beneficiosa que les tècniques de desmuntatge 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 d'una 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'aeronau, i també permet als treballadors un accés més fàcil a les peces. A més, quan s'utilitza per a l'eliminació de pintura en lloc d'una neteja química o una granalla, la neteja amb làser pot suposar un estalvi significatiu de costos (milers de lliures per avió) perquè els residus perillosos es redueixen en un 90 per cent o més i es redueixen els requisits de manipulació de materials.
Granallat amb làser/granallat per impacte làser
Les tensions dins dels components metàl·lics poden provocar una fallada per fatiga del metall en els components de l'aeronau, com ara les pales dels ventiladors dels motors a reacció, que poden causar danys o lesions. Això es pot mitigar mitjançant una tècnica coneguda com a làser peening.
En aquest procés, els polsos 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. El granallat per làser pot allargar la vida útil de les peces metàl·liques 10-15 vegades en comparació amb els processos convencionals.
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 peening làser Leopard allargarà la vida útil inhibint l'aparició i l'expansió d'esquerdes causades per tensions de vibració cíclica. La flexibilitat del lliurament del feix de fibra òptica i les eines personalitzades permeten que el sistema faci làser zones de difícil accés de l'avió. Segons els socis, el sistema és un avenç en la tecnologia de granallat làser i avançarà en el seu ús, inclosa l'allargament de la vida útil de les pales dels motors a reacció, entre altres coses.
El Centre de Preparació de la Flota de la Marina dels EUA (FRCE) també ha completat recentment la validació d'un procés de reforç de l'impacte làser que s'ha utilitzat amb èxit a l'avió F-35B Lightning II. FRCE va utilitzar el procés per reforçar el marc de l'F-35B Lightning II sense afegir cap material o pes addicional que, d'altra manera, limitaria la seva capacitat de transport d'armes o de combustible. Això ajuda a allargar l'esperança de vida del caça de cinquena generació, la versió curta d'enlairament i aterratge utilitzada pel Cos de Marines dels EUA.
Perforació làser
Els motors aerodinàmics moderns tenen uns 500000 forats, unes 100 vegades el nombre de motors construïts a la dècada de 1980. Al mateix temps, els fabricants d'avions produeixen cada cop més altres components que tenen un gran nombre de forats perforats per a connexions reblades i cargolades. Per tant, la perforació làser té un gran potencial de mercat en el sector aeroespacial perquè ofereix un procés precís, repetible, ràpid i rendible.
Per exemple, s'estan desenvolupant nous sistemes làser de femtosegons d'alta potència per microperforar de manera eficient i precisa de grans panells de titani HLFC (Control de flux laminar híbrid) que es muntaran en estabilitzadors d'ala o de cua. Aquests panells treuen aire a través de petits forats, reduint així l'arrossegament de fricció i reduint el consum de combustible.
Imatge Els làsers s'utilitzen cada cop més per perforar components d'avions CFRP
(Crèdit d'imatge: Laser Center Hannover)
Atès que la perforació làser és sense contacte, no cal que el material que s'està processant es mantingui de la mateixa manera que si es processés amb eines convencionals. Un altre avantatge de la sense contacte és que no es produeix desgast de l'eina, la qual cosa representa un avantatge particular en l'operació de perforació de components de CFRP. A causa de la seva duresa, els components de CFRP poden causar un desgast molt elevat a les eines convencionals. La perforació làser també es pot realitzar a velocitats molt elevades, de manera que un dany excessiu per calor no perjudiqui el material que s'està processant.
Fabricació Additiva
La fabricació additiva làser (AM) també està guanyant impuls a la indústria aeroespacial. En aquesta tècnica, un làser fon capes contínues de pols per crear formes. Fins i tot una empresa de coets amb seu a Califòrnia 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 estan en fase de prova, la fabricació additiva làser 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 on Mars (SAM), part d'un programa de proves en curs per investigar la fiabilitat de la tecnologia de fabricació additiva.
Mentrestant, el rover Trailblazer de la NASA, que aterra a Mart el febrer de 2021, conté 11 peces metàl·liques fabricades amb additius làser. Cinc de les parts es troben a l'instrument planetari de Trail per a litoquímica de raigs X (PIXL), que busca signes de vida fòssil microbiana a Mart. Aquestes peces han de ser tan lleugeres que no es puguin produir amb les tècniques tradicionals de forja, modelat i tall.
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 fer d'un aliatge de coure. Aquest desenvolupament continuat de la fabricació additiva làser ha donat com a resultat un component que es pot fabricar a aproximadament la meitat del cost i una sisena part del temps necessari per al mecanitzat, unió i muntatge tradicionals. Com que els aliatges de coure utilitzats reflecteixen molt els làsers infrarojos, la NASA investiga ara 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.
Recaptació làser
L'obtenció de làser també és una aplicació molt nova a la indústria aeroespacial. En aquest procés, els làsers ultraràpides s'utilitzen per crear micro-nanoestructures a les superfícies de les aeronaus mitjançant una tècnica coneguda com a patrons interferomètrics directes per làser (DLIP), que s'utilitza per crear un "efecte lotus" natural, creant nanoestructures que ajuden a prevenir la contaminació superficial i el gel. acumulació a l'avió.
L'òptica innovadora divideix un potent pols làser ultraràpid en diversos feixos parcials, que després es combinen a la superfície que s'està processant. Quan es veu al microscopi, la microestructura resultant s'assembla a una "sala" microscòpica de "pilars" o ondulacions. La distància entre els "pilars" està entre uns 150 nm i 30 µm, una estructura que significa que les gotes d'aigua ja no mullen la superfície i s'hi adhereixen perquè no tenen prou adherència a la superfície.
Els beneficis d'aquest material per a l'aeronau inclouen una major repulsió de l'aigua, el gel i els insectes. Aquests poden enganxar-se a la superfície de l'avió i augmentar la resistència de l'avió al vent, augmentant així el consum de combustible. L'aplicació d'aquesta textura làser reduirà la necessitat de tractaments químics tòxics aplicats actualment a les superfícies de les aeronaus per evitar la formació de gel. Se sap que es deteriora amb el pas del temps i és propens a danys. A més, les estructures làser produïdes pel mètode DLIP poden durar diversos anys i no causen problemes ambientals.
