Trong những năm gần đây, lĩnh vực hàng không vũ trụ - bao gồm máy bay thương mại và quân sự, vệ tinh, tàu vũ trụ, máy bay không người lái và phương tiện bay không người lái (UAV) - đã trải qua một số thay đổi sâu rộng. Ngày càng có nhiều công ty tham gia cuộc đua vũ trụ, nhiều công ty trong số đó đòi hỏi công nghệ sản xuất sáng tạo.
Ngược lại, tác động của việc hạn chế đi lại do đại dịch gây ra đối với hàng không thương mại đã khiến tỷ lệ sản xuất máy bay dân dụng giảm 1/3.
Vào năm 2019, Châu Âu là một trong những quốc gia dẫn đầu toàn cầu về sản xuất máy bay dân dụng và máy bay trực thăng (bao gồm các bộ phận khác nhau và động cơ máy bay), cung cấp khoảng 400000 việc làm và tạo ra doanh thu €130 tỷ. Trong khi hoạt động khám phá và phòng thủ không gian phần lớn không bị ảnh hưởng bởi đại dịch New Crown, hoạt động sản xuất và chế tạo máy bay dân dụng vẫn đang trong giai đoạn phục hồi.
Trong ấn phẩm tháng 2 năm 2023, Sự không chắc chắn trong hàng không vũ trụ thương mại, công ty nghiên cứu và tư vấn hàng đầu McKinsey báo cáo rằng thế giới cần tiếp nhận một lượng đơn đặt hàng tồn đọng để chế tạo 9.400 máy bay chở khách (chủ yếu là máy bay phản lực thân hẹp) vào cuối năm 2027. Nhưng vẫn có sự không chắc chắn về sự phát triển trong tương lai của vận tải hành khách hàng không, chuỗi cung ứng và sức khỏe của lực lượng lao động. Do đó, các nhà sản xuất cần cải thiện năng suất và tính linh hoạt để xử lý công việc tồn đọng và đáp ứng những thay đổi về nhu cầu trong tương lai.
Khả năng gia tăng năng suất và giữ chi phí thấp của quá trình xử lý laser có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc kích hoạt phản ứng này trong ngành hàng không vũ trụ. Gia công laser - dưới dạng các hoạt động cắt, hàn, bắn và khoan - đã trở thành một phần không thể thiếu trong sản xuất hàng không vũ trụ.
Ví dụ, laser được sử dụng để sản xuất cánh máy bay, chốt cánh, bộ phận động cơ phản lực và bộ phận ghế ngồi, cũng như để sửa chữa tua-bin, làm sạch hoặc loại bỏ sơn khỏi các bộ phận và chuẩn bị bề mặt bộ phận để xử lý tiếp. Trong những năm gần đây, sản xuất bồi đắp bằng laser (AM) cũng ngày càng trở nên phổ biến trong lĩnh vực hàng không vũ trụ. Ngoài ra, thị trường muốn cải thiện khả năng truy xuất nguồn gốc của các thành phần hàng không vũ trụ, và cùng với đó, nhu cầu đánh dấu bằng laser ngày càng tăng.
Cắt và hàn laser
Cắt laser là một quy trình nhanh, tiết kiệm chi phí và chính xác, có thể được sử dụng để đáp ứng các yêu cầu sản xuất khắt khe của lĩnh vực hàng không vũ trụ.
So với cách xử lý truyền thống, cắt laser mang lại độ chính xác cao, ít lãng phí vật liệu hơn, tốc độ xử lý nhanh hơn, chi phí thấp hơn và ít bảo trì thiết bị hơn. Ngoài ra, năng suất có thể được tối đa hóa vì nó cho phép mọi thay đổi cần thiết đối với quy trình được thực hiện nhanh chóng và dễ dàng.
Laser có thể được sử dụng để sản xuất các bộ phận dây buộc cánh, bộ phận cố định, bộ phận đầu cuối, bộ phận dụng cụ, v.v. Nó cũng phù hợp với các bộ phận nhỏ, chẳng hạn như miếng đệm dầu ghép và ống dẫn titan, cũng như các bộ phận lớn hơn, chẳng hạn như như nón xả. Nó có thể xử lý nhiều loại vật liệu hàng không vũ trụ, bao gồm nhôm, Hastelloy (niken đã được tạo hợp kim với các nguyên tố như molypden và crom), Inconel, Nitinol, Nitinol, thép không gỉ, tantalum và titan.
Hàn laser cũng được sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ như là một phương pháp thay thế cho các phương pháp nối truyền thống, chẳng hạn như liên kết dính và buộc chặt cơ học. Ví dụ, việc sử dụng hàn laser các hợp kim nhôm nhẹ và polyme gia cố sợi carbon (CFRP) trong sản xuất máy bay ngày càng được coi trọng và đang được sử dụng bất cứ khi nào có thể để thay thế các mối nối tán đinh. Các công nghệ như hàn xoay laze cũng đã thành công trong việc kết nối bình nhiên liệu, nâng cao hiệu quả và độ bền của kết nối, giảm việc làm lại và tiết kiệm chi phí đáng kể. Những thành công hàn khác trong ngành hàng không vũ trụ bao gồm gắn lõi đúc của cánh tuabin vào vỏ; và tạo ra các loại cánh tà nhẹ mới giúp tăng khả năng kiểm soát dòng chảy tầng, giảm thiểu lực cản và tối ưu hóa hiệu suất nhiên liệu.
Với tiềm năng tiết kiệm chi phí, giảm trọng lượng linh kiện và cải thiện chất lượng mối hàn so với các phương pháp truyền thống, một số nhà sản xuất trên thị trường thậm chí hiện đang xem xét hàn laser cho các bộ phận khung máy bay.
làm sạch bằng laze
Các nhà sản xuất trong lĩnh vực hàng không vũ trụ sử dụng phương pháp làm sạch bằng laze để loại bỏ các lớp khỏi bề mặt kim loại và composite để chuẩn bị gia công, loại bỏ lớp phủ hoặc ăn mòn và loại bỏ sơn khỏi các bộ phận lớn hoặc toàn bộ máy bay trước khi sơn lại.
Trong quá trình làm sạch, ánh sáng laze được lớp bề mặt của kim loại hấp thụ và làm bay hơi, dẫn đến sự mài mòn vật liệu bề mặt mà hầu như không ảnh hưởng đến lớp bên trong và không gây tổn hại nhiệt cho bộ phận. Laser sợi quang xung lớp Kilowatt đặc biệt phù hợp để làm sạch nhanh bằng laser - chúng có thể làm sạch nhiều loại vật liệu, bao gồm gốm sứ, vật liệu tổng hợp, kim loại và nhựa, với hiệu quả và độ chính xác cao.
Việc sử dụng vật liệu tổng hợp trong máy bay đã tăng lên trong những năm gần đây và nhu cầu kết hợp kim loại với vật liệu tổng hợp cũng tăng theo. Trong sản xuất hàng không vũ trụ, chất kết dính có thể được sử dụng để nối hai vật liệu khác nhau này và để tạo ra một liên kết bền vững, hai bề mặt phải được chuẩn bị kỹ lưỡng để xử lý trước khi sử dụng chất kết dính.
Làm sạch bằng laser là lựa chọn lý tưởng vì nó tạo ra hiệu ứng bề mặt có thể tái tạo, được kiểm soát rất chặt chẽ, có khả năng đạt được một liên kết nhất quán, có thể dự đoán được. Theo truyền thống, điều này sẽ được thực hiện thông qua các kỹ thuật nổ mìn phá hủy hoặc sử dụng một số hóa chất. Tuy nhiên, làm sạch bằng laser hiện cung cấp phương pháp tiếp cận một bước không chỉ tiết kiệm chi phí và năng suất hơn mà còn có tác động môi trường thấp hơn nhiều vì không cần sử dụng hóa chất độc hại hoặc vật liệu nổ. Làm sạch bằng laser cũng nhẹ nhàng hơn trên các bộ phận so với các phương pháp truyền thống.
Làm sạch các bộ phận máy bay bằng kim loại và composite bằng tia laser cũng có lợi hơn so với các kỹ thuật tẩy hoặc nổ hóa chất khi tẩy sơn. Trong suốt vòng đời của nó, một chiếc máy bay có thể được sơn lại 4-5 lần và có thể mất một tuần hoặc hơn để loại bỏ lớp sơn khỏi toàn bộ máy bay bằng các kỹ thuật truyền thống. Ngược lại, việc làm sạch bằng laser có thể giảm thời gian này xuống còn 3-4 ngày, tùy thuộc vào kích thước của máy bay và nó cũng giúp công nhân tiếp cận các bộ phận dễ dàng hơn. Ngoài ra, khi được sử dụng để loại bỏ sơn thay vì tẩy hoặc phun hóa chất, làm sạch bằng laser có thể giúp tiết kiệm chi phí đáng kể - hàng nghìn bảng Anh trên mỗi máy bay - vì chất thải nguy hại giảm khoảng 90 phần trăm trở lên và các yêu cầu xử lý vật liệu cũng giảm.
Phun laze/Laser tác động Peening
Ứng suất trong các bộ phận kim loại có thể dẫn đến hỏng kim loại do mỏi trong các bộ phận của máy bay như cánh quạt trong động cơ phản lực, điều này có khả năng gây hư hỏng hoặc thương tích. Điều này có thể được giảm thiểu bằng một kỹ thuật gọi là laser peening.
Trong quá trình này, các xung laze được hướng đến một khu vực có nồng độ ứng suất cao và mỗi xung kích hoạt một vụ nổ plasma nhỏ giữa bề mặt linh kiện và một lớp nước phun lên trên. Lớp nước hạn chế vụ nổ, khiến sóng xung kích xuyên qua thành phần và tạo ra ứng suất dư nén khi diện tích lan truyền của nó mở rộng. Những ứng suất này chống lại sự nứt và các dạng mỏi kim loại khác. Công nghệ cắt laser có thể kéo dài tuổi thọ của các bộ phận kim loại gấp 10-15 lần so với các quy trình thông thường.
Laser peening đang ngày càng được sử dụng trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ. Ví dụ, LSP Technologies và Airbus đã cùng nhau phát triển một hệ thống soi bằng laser di động, hệ thống này gần đây đã được thử nghiệm và đánh giá tại cơ sở bảo dưỡng và sửa chữa của Airbus ở Toulouse, Pháp.
Hệ thống cắt laser Leopard sẽ kéo dài tuổi thọ mỏi bằng cách ức chế sự xuất hiện và mở rộng các vết nứt do ứng suất rung theo chu kỳ gây ra. Tính linh hoạt của việc phân phối chùm tia sợi quang và công cụ tùy chỉnh cho phép hệ thống chiếu laser vào các khu vực khó tiếp cận của máy bay. Theo các đối tác, hệ thống này là một bước đột phá trong công nghệ laser peening và sẽ thúc đẩy việc sử dụng nó, bao gồm kéo dài tuổi thọ của cánh quạt động cơ phản lực, trong số những thứ khác.
Trung tâm Sẵn sàng Hạm đội Đông của Hải quân Hoa Kỳ (FRCE) gần đây cũng đã hoàn tất xác nhận quy trình tăng cường tác động bằng laser đã được sử dụng thành công trên máy bay F-35B Lightning II. PHÁP đã sử dụng quy trình này để tăng cường khung của F-35B Lightning II mà không cần thêm bất kỳ vật liệu hoặc trọng lượng bổ sung nào có thể hạn chế khả năng mang nhiên liệu hoặc vũ khí của nó. Điều này giúp kéo dài tuổi thọ của tiêm kích thế hệ thứ 5, phiên bản cất và hạ cánh ngắn được Thủy quân lục chiến Mỹ sử dụng.
khoan laser
Động cơ hàng không hiện đại có khoảng 500000 lỗ, gấp khoảng 100 lần số lượng động cơ được chế tạo vào những năm 1980. Đồng thời, các nhà sản xuất máy bay đang sản xuất ngày càng nhiều các bộ phận khác có số lượng lớn lỗ khoan để kết nối bằng đinh tán và vít. Do đó, khoan laser có tiềm năng thị trường rất lớn trong lĩnh vực hàng không vũ trụ vì nó cung cấp một quy trình chính xác, có thể lặp lại, nhanh chóng và tiết kiệm chi phí.
Ví dụ, các hệ thống laser femto giây công suất cao mới đang được phát triển để khoan vi mô hiệu quả và chính xác các tấm HLFC (Hybrid Laminar Flow Control) titan lớn sẽ được gắn trên bộ ổn định cánh hoặc đuôi. Những tấm này hút không khí qua các lỗ nhỏ, nhờ đó giảm lực ma sát và giảm mức tiêu thụ nhiên liệu.
Hình ảnh Laser ngày càng được sử dụng để khoan các bộ phận máy bay CFRP
(Tín dụng hình ảnh: Trung tâm Laser Hannover)
Vì khoan laze không tiếp xúc nên vật liệu đang được xử lý không cần phải được giữ theo cách giống như khi nó được xử lý bằng các công cụ thông thường. Một ưu điểm khác của tính năng không tiếp xúc là không xảy ra hiện tượng mài mòn dụng cụ, điều này thể hiện một lợi thế đặc biệt trong hoạt động khoan các bộ phận CFRP. Do độ cứng của chúng, các thành phần CFRP có thể gây mài mòn rất cao đối với các công cụ thông thường. Khoan laser cũng có thể được thực hiện ở tốc độ rất cao, do đó thiệt hại quá mức do nhiệt không gây hại cho vật liệu đang được xử lý.
Sản xuất phụ gia
Sản xuất bồi đắp bằng laser (AM) cũng đang đạt được đà phát triển nhanh chóng trong ngành hàng không vũ trụ. Trong kỹ thuật này, tia laser làm tan chảy các lớp bột liên tục để tạo hình. Một công ty tên lửa có trụ sở tại California thậm chí gần đây đã đặt hàng hai 12-máy in 3D chùm tia laze để thực hiện các sứ mệnh không gian của mình tiết kiệm và hiệu quả hơn bằng cách tạo ra các thành phần không gian nhẹ hơn, nhanh hơn và mạnh hơn.
Trong khi nhiều dự án vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm, sản xuất bồi đắp bằng laser đã được sử dụng thành công trong hai sứ mệnh lên sao Hỏa. Xe tự hành Curiosity của NASA, hạ cánh vào tháng 8 năm 2012, là sứ mệnh đầu tiên mang các bộ phận in 3D lên sao Hỏa. Đây là một thành phần gốm bên trong thiết bị Phân tích mẫu trên sao Hỏa (SAM), một phần của chương trình thử nghiệm đang diễn ra để điều tra độ tin cậy của công nghệ sản xuất bồi đắp.
Trong khi đó, xe tự hành Trailblazer của NASA, hạ cánh trên sao Hỏa vào tháng 2 năm 2021, chứa 11 bộ phận kim loại được sản xuất phụ gia bằng laser. Năm trong số các bộ phận nằm trong Công cụ hành tinh hóa thạch tia X (PIXL) của Trail, đang tìm kiếm các dấu hiệu của sự sống hóa thạch vi sinh vật trên sao Hỏa. Những bộ phận này cần phải nhẹ đến mức chúng không thể được sản xuất bằng các kỹ thuật rèn, đúc và cắt truyền thống.
NASA cũng đã thử nghiệm sản xuất phụ gia laser cho các thành phần tên lửa. Trong một nghiên cứu, buồng đốt của động cơ tên lửa được làm từ hợp kim đồng. Sự phát triển liên tục của sản xuất bồi đắp laze này đã dẫn đến một bộ phận có thể được sản xuất với chi phí chỉ bằng một nửa và một phần sáu thời gian cần thiết cho gia công, nối và lắp ráp truyền thống. Do các hợp kim đồng được sử dụng có độ phản xạ cao đối với tia laze hồng ngoại nên NASA hiện đang nghiên cứu xem tia laze xanh lục hoặc lam lam có thể cải thiện hiệu quả và năng suất như thế nào.
Mặc dù việc sử dụng sản xuất phụ gia trong hàng không vũ trụ vẫn đang ở giai đoạn đầu, nhưng nó được dự đoán sẽ phát triển trong 20 năm tới.
tổng thu bằng laser
Laser Grossing cũng là một ứng dụng rất mới trong ngành hàng không vũ trụ. Trong quy trình này, các tia laser cực nhanh được sử dụng để tạo ra các cấu trúc vi nano trên bề mặt máy bay thông qua một kỹ thuật được gọi là tạo mẫu giao thoa kế laser trực tiếp (DLIP), được sử dụng để tạo ra "hiệu ứng hoa sen" tự nhiên, tạo ra các cấu trúc nano giúp ngăn ngừa ô nhiễm và băng trên bề mặt. tích tụ trên máy bay.
Hệ thống quang học cải tiến đã tách một xung laser cực nhanh mạnh mẽ thành nhiều chùm tia riêng lẻ, sau đó các chùm tia này được kết hợp trên bề mặt đang được xử lý. Khi quan sát dưới kính hiển vi, vi cấu trúc thu được giống như một "hội trường" cực nhỏ gồm các "cột" hoặc gợn sóng. Khoảng cách giữa các "trụ cột" nằm trong khoảng 150nm đến 30µm - một cấu trúc có nghĩa là các giọt nước không còn làm ướt bề mặt và dính vào đó vì chúng không có đủ độ bám trên bề mặt.
Những lợi ích của vật liệu này đối với máy bay bao gồm tăng lực đẩy nước, băng và côn trùng. Những thứ này có thể dính vào bề mặt máy bay và làm tăng khả năng chống gió của máy bay, do đó làm tăng mức tiêu thụ nhiên liệu. Việc áp dụng kết cấu laser này sẽ làm giảm nhu cầu xử lý hóa chất độc hại hiện được áp dụng cho bề mặt máy bay để tránh đóng băng. Nó được biết là xuống cấp theo thời gian và dễ bị hư hỏng. Hơn nữa, các cấu trúc laser được sản xuất bằng phương pháp DLIP có thể tồn tại trong vài năm và không gây ra các vấn đề về môi trường.
