In den letzten Jahren hat die Welt der Luft- und Raumfahrt – einschließlich kommerzieller und militärischer Flugzeuge, Satelliten, Raumfahrzeuge, Drohnen und unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) – einige dramatische Veränderungen erfahren. Immer mehr Unternehmen beteiligen sich am Wettlauf ins All, viele davon benötigen innovative Fertigungstechnologien.
Im Gegensatz dazu haben die Auswirkungen der Reisebeschränkungen auf die kommerzielle Luftfahrt aufgrund der neuen Kronenepidemie dazu geführt, dass die Produktionsrate ziviler Flugzeuge um ein Drittel zurückgegangen ist.
Im Jahr 2019 war Europa einer der weltweit führenden Hersteller von Zivilflugzeugen und Hubschraubern, einschließlich verschiedener Komponenten und Flugzeugtriebwerke, mit rund 400 Arbeitsplätzen und einem Umsatz von 130 Milliarden Euro. Während die Weltraumforschung und -verteidigung von der Pandemie weitgehend verschont geblieben sind, erholt sich die zivile Flugzeugproduktion immer noch.
In der im Februar 2023 veröffentlichten Studie „Uncertainty in Commercial Aerospace“ (Unsicherheit in der kommerziellen Luft- und Raumfahrt) berichtete McKinsey, ein bekanntes Beratungs- und Forschungsunternehmen, dass die Welt den Bau von 9.400 Passagierflugzeugen (hauptsächlich Schmalrumpfflugzeuge) verdauen muss ) bis Ende 2027. Flugzeuge) Auftragsbestand. Es besteht jedoch Unsicherheit über das zukünftige Wachstum des Fluggastverkehrs, die Gesundheit der Lieferketten und der Arbeitskräfte. Daher müssen Hersteller ihre Produktionseffizienz und Flexibilität steigern, um Rückstände zu bewältigen und auf zukünftige Nachfrageänderungen reagieren zu können.
Die Fähigkeit der Laserbearbeitung, die Produktivität zu steigern und die Kosten niedrig zu halten, könnte eine Schlüsselrolle dabei spielen, diese Reaktion der Luft- und Raumfahrtindustrie zu ermöglichen. Die Laserbearbeitung – Vorgänge in Form von Schneiden, Schweißen, Strahlen und Bohren – ist zu einem integralen Bestandteil der Luft- und Raumfahrtfertigung geworden.
Mit Lasern werden beispielsweise Klappen für Flugzeugflügel, Flügelbefestigungen, Triebwerksteile und Sitzteile hergestellt, aber auch Turbinen repariert, Teile gereinigt oder entlackt und Teile für die Weiterverarbeitung vorbereitet. Teiloberfläche. In den letzten Jahren erfreut sich die laseradditive Fertigung (AM) auch in der Raumfahrt zunehmender Beliebtheit. Darüber hinaus erhofft sich der Markt eine bessere Rückverfolgbarkeit von Luft- und Raumfahrtkomponenten und auch die Anforderungen an die Lasermarkierung steigen.
Laserschneiden und Schweißen
Das Laserschneiden ist ein schnelles, kostengünstiges und präzises Verfahren, mit dem die anspruchsvollen Fertigungsanforderungen der Luft- und Raumfahrtbranche erfüllt werden.
Im Vergleich zur herkömmlichen Bearbeitung zeichnet sich das Laserschneiden durch hohe Präzision, weniger Materialverschwendung, schnelle Bearbeitungsgeschwindigkeit, niedrige Kosten und weniger Gerätewartung aus. Darüber hinaus maximiert es die Produktivität, da alle notwendigen Änderungen an der Bearbeitung schnell und einfach vorgenommen werden können.
Mit Lasern können Flügelbefestigungsteile, Vorrichtungsteile, Endeffektorteile, Werkzeugteile und mehr hergestellt werden. Es eignet sich gleichermaßen für kleine Komponenten wie gepfropfte Öldichtungen und Entlüftungskanalverteiler aus Titan sowie für größere Komponenten wie Abgaskegel. Es kann eine Vielzahl von Luft- und Raumfahrtmaterialien bearbeiten, darunter Aluminium, Hastelloy (Nickel, das mit Elementen wie Molybdän und Chrom legiert wurde), Inconel, Nitinol, Nitinol, Edelstahl, Tantal und Titan.
Auch in der Luft- und Raumfahrt wird das Laserschweißen als Alternative zu herkömmlichen Fügeverfahren wie Kleben und mechanischer Befestigung eingesetzt. Beispielsweise gewinnt der Einsatz des Laserschweißens von leichten Aluminiumlegierungen und kohlenstofffaserverstärkten Polymeren (CFK) im Flugzeugbau an Bedeutung und wird, wo immer möglich, als Ersatz für Nieten eingesetzt. Techniken wie das Laserwebschweißen haben sich auch beim Verbinden von Kraftstofftanks bewährt, die Effizienz und Festigkeit der Verbindung verbessert, Nacharbeiten reduziert und viel Geld gespart. Weitere Schweißerfolge in der Luft- und Raumfahrt umfassen das Verbinden des Gusskerns einer Turbinenschaufel mit der Deckplatte; und die Schaffung einer neuen Art leichter Flügelklappe, die die laminare Strömungskontrolle verbessert, den Luftwiderstand minimiert und die Treibstoffeffizienz optimiert.
Das Laserschweißen bietet im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren das Potenzial, Kosten zu sparen, das Bauteilgewicht zu reduzieren und die Schweißqualität zu verbessern. Mehrere Hersteller erwägen derzeit das Laserschweißen für die Produktion von Flugzeugzellenteilen.
LAser-Reinigung
Hersteller im Luft- und Raumfahrtsektor nutzen die Laserreinigung, um Schichten von Metall- und Verbundoberflächen als Vorbereitung für die Bearbeitung zu entfernen, um Beschichtungen oder Korrosion zu entfernen und um Farbe von großen Bauteilen oder ganzen Flugzeugen vor der Neulackierung zu entfernen.
Während des Reinigungsprozesses wird der Laser von der Metalloberfläche absorbiert und verdampft, wodurch eine Ablation des Oberflächenmaterials erreicht wird, während das Innenschichtmaterial kaum beeinträchtigt wird und es zu keinen thermischen Schäden an den Komponenten kommt. Gepulste Faserlaser der Kilowattklasse eignen sich besonders gut für die schnelle Laserreinigung – sie ermöglichen eine effiziente und hochpräzise Reinigung unterschiedlichster Materialien, darunter Keramik, Verbundwerkstoffe, Metalle und Kunststoffe.
In den letzten Jahren hat der Einsatz von Verbundwerkstoffen in Flugzeugen zugenommen und damit auch die Notwendigkeit, Metalle mit Verbundwerkstoffen zu verbinden. In der Luft- und Raumfahrtfertigung können Klebstoffe verwendet werden, um diese beiden unterschiedlichen Materialien zu verbinden. Um eine starke Verbindung herzustellen, müssen die beiden Oberflächen vor dem Auftragen des Klebers sorgfältig vorbereitet werden.
Die Laserreinigung ist ideal, da sie eine sehr genau kontrollierte, reproduzierbare Oberflächenbeschaffenheit erzeugt, die eine gleichmäßige, vorhersehbare Verbindung ermöglicht. Traditionell wird dies durch zerstörerische Sprengtechniken oder den Einsatz verschiedener Chemikalien erreicht. Allerdings bietet die Laserreinigung jetzt eine einstufige Methode, die nicht nur kostengünstiger und produktiver ist, sondern auch eine geringere Umweltbelastung hat, da keine giftigen Chemikalien oder Strahlmittel erforderlich sind. Zudem ist die Laserreinigung deutlich teileschonender als herkömmliche Methoden.
Laserreinigung von Flugzeugteilen aus Metall und Verbundwerkstoffenist auch beim Entlacken vorteilhafter als chemische Entlackungs- oder Strahltechniken. Während seiner Nutzungsdauer kann ein Flugzeug 4-5 Mal neu lackiert werden, und es kann eine Woche oder länger dauern, bis der Lack mit herkömmlichen Techniken vom gesamten Flugzeug entfernt ist. Im Gegensatz dazu kann die Laserreinigung diese Zeit je nach Größe des Flugzeugs auf 3-4 Tage verkürzen und macht außerdem Teile für Arbeiter leichter zugänglich. Darüber hinaus bietet die Laserreinigung erhebliche Kosteneinsparungen – Tausende von Pfund pro Flugzeug, wenn sie zum Entfernen von Farbe anstelle von chemischem Abbeizen oder Strahlen eingesetzt wird, da gefährliche Abfälle um etwa 90 Prozent oder mehr reduziert werden und die Anforderungen an die Materialhandhabung reduziert werden.
Laserstrahlen/Laserschockstrahlen
Spannungen in Metallkomponenten können zu Metallermüdungsversagen in Flugzeugkomponenten wie Lüfterblättern in Düsentriebwerken führen, was zu Schäden oder Verletzungen führen kann. Dies kann mit einer Technik namens Laser Peening gemildert werden.
Bei diesem Verfahren werden Laserlichtimpulse in einen Bereich mit hoher Spannungskonzentration gerichtet und jeder Impuls zündet eine winzige Plasmaexplosion zwischen der Oberfläche des Bauteils und einer darauf aufgesprühten Wasserschicht. Die Wasserschicht begrenzt die Explosion, wodurch die Stoßwelle in das Bauteil eindringt und bei der Vergrößerung seines Ausbreitungsbereichs Druckeigenspannungen erzeugt. Diese Spannungen wirken Rissbildung und anderen Formen der Metallermüdung entgegen. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren kann die Laserverstärkung die Lebensdauer von Metallteilen um das 10-15-fache verlängern.
Laserstrahlen wird zunehmend in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt. Beispielsweise haben LSP Technologies und Airbus gemeinsam ein tragbares Laserstrahlsystem entwickelt, das kürzlich in der Wartungs- und Reparaturanlage von Airbus in Toulouse, Frankreich, getestet und bewertet wurde.
Das Leopard-Laserstrahlsystem verlängert die Ermüdungslebensdauer, indem es die Entstehung und Ausbreitung von Rissen verhindert, die durch zyklische Vibrationsbeanspruchung verursacht werden. Die Flexibilität der faseroptischen Strahlführung und kundenspezifischer Werkzeuge ermöglichen es dem System, Bereiche mit dem Laser zu beleuchten, die für Flugzeuge schwer zu erreichen sind. Den Partnern zufolge stellt das System einen Durchbruch in der Laserverstärkungstechnologie dar, der seinen Einsatz vorantreiben wird, unter anderem durch die Verlängerung der Lebensdauer von Triebwerksschaufeln.
Das Fleet Readiness Center East (FRCE) der US-Marine hat kürzlich auch die Validierung eines Laserschockstrahlverfahrens abgeschlossen, das erfolgreich beim F-35B Lightning II-Flugzeug eingesetzt wurde. FRCE nutzte das Verfahren, um den Rahmen des F-35B Lightning II zu verstärken, ohne zusätzliches Material oder Gewicht hinzuzufügen, das sonst seine Treibstoff- oder Waffentragfähigkeiten einschränken würde. Dies trägt dazu bei, die Lebenserwartung von Kampfflugzeugen der fünften Generation zu verlängern, den Kurzstart- und Landevarianten des US Marine Corps.
LAser-Bohren
Moderne Flugzeugtriebwerke haben etwa 500000 Löcher, etwa 100-mal so viele wie Triebwerke, die in den 1980er Jahren gebaut wurden. Gleichzeitig produzieren Flugzeughersteller immer mehr andere Bauteile, die über eine Vielzahl von Bohrlöchern zum Nieten und Schrauben verfügen. Daher hat das Laserbohren im Bereich der Luft- und Raumfahrt ein großes Marktpotenzial, da es einen präzisen, wiederholbaren, schnellen und kostengünstigen Prozess ermöglicht.
Beispielsweise werden neue Hochleistungs-Femtosekundenlasersysteme für effizientes und präzises Mikrobohren großer HLFC-Platten (Hybrid Laminar Flow Control) aus Titan entwickelt, die an Flügel- oder Leitwerksstabilisatoren montiert werden sollen. Diese Platten saugen Luft durch kleine Löcher an, was den Reibungswiderstand verringert und den Kraftstoffverbrauch senkt.
Da das Laserbohren berührungslos erfolgt, muss das zu bearbeitende Material nicht wie bei herkömmlichen Werkzeugen fixiert werden. Ein weiterer Vorteil der berührungslosen Arbeitsweise ist der fehlende Werkzeugverschleiß, was insbesondere bei Bohrarbeiten für CFK-Bauteile von Vorteil ist. Aufgrund ihrer Härte können CFK-Bauteile auf herkömmliche Werkzeuge sehr abrasiv wirken. Das Laserbohren kann auch mit sehr hohen Geschwindigkeiten durchgeführt werden, sodass übermäßige Hitzeschäden das zu bearbeitende Material nicht beschädigen.
Aadditive Fertigung
Auch in der Luft- und Raumfahrtindustrie hat sich die laseradditive Fertigung (AM) rasant weiterentwickelt. Bei dieser Technik schmelzen Laser aufeinanderfolgende Pulverschichten, um Formen zu bilden. Ein in Kalifornien ansässiges Raketenunternehmen hat kürzlich sogar zwei 12-Laserstrahl-3D-Drucker bestellt, um seine Weltraummissionen wirtschaftlicher und effizienter zu gestalten, indem es leichtere, schnellere und stärkere Weltraumkomponenten herstellt.
Während sich viele Projekte noch in der Testphase befinden, wurde die laseradditive Fertigung bereits bei zwei Missionen zum Mars erfolgreich eingesetzt. Der NASA-Rover Curiosity, der im August 2012 landete, war die erste Mission, die 3D-gedruckte Teile zum Mars brachte. Hierbei handelt es sich um eine Keramikkomponente im Instrument „Sample Analysis at Mars“ (SAM), Teil eines laufenden Testprogramms zur Untersuchung der Zuverlässigkeit additiver Fertigungstechniken.
Unterdessen enthält der Perseverance-Rover der NASA, der im Februar 2021 auf dem Mars gelandet ist, 11 Metallteile, die additiv mit Lasern gefertigt wurden. Fünf dieser Komponenten befinden sich im Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry (PIXL) von Perseverance, das nach Anzeichen fossilen mikrobiellen Lebens auf dem Mars sucht. Diese Teile müssen so leicht sein, dass sie mit herkömmlichen Techniken wie Schmieden, Formen und Schneiden nicht hergestellt werden können.
Die NASA experimentiert auch mit der laseradditiven Fertigung von Raketenkomponenten. In einer Studie wurde die Brennkammer eines Raketentriebwerks aus einer Kupferlegierung hergestellt. Die Weiterentwicklung dieser laseradditiven Fertigung hat dazu geführt, dass das Teil zu etwa der Hälfte der Kosten und in einem Sechstel der Zeit hergestellt werden kann, die für herkömmliche Bearbeitung, Verbindung und Montage erforderlich ist. Da die verwendete Kupferlegierung für Infrarotlaser stark reflektiert, untersucht die NASA nun, wie grüne oder blaue Laser die Effizienz und Produktivität verbessern können.
Während sich der Einsatz der additiven Fertigung in der Luft- und Raumfahrt noch in einem frühen Stadium befindet, wird erwartet, dass er in den nächsten 20 Jahren zunehmen wird.
Lasertexturierung
Auch in der Luft- und Raumfahrtindustrie ist die Lasertexturierung eine sehr neue Anwendung. Bei diesem Verfahren werden ultraschnelle Laser verwendet, um durch eine Technik namens Direct Laser Interference Patterning (DLIP) Mikro-Nanostrukturen auf der Oberfläche des Flugzeugs zu erzeugen, die zur Erzeugung eines natürlichen „Lotuseffekts“ verwendet wird, der Nanostrukturen erzeugt, die dazu beitragen, die Oberfläche zu verhindern Kontamination verhindern und Eisbildung an Flugzeugen verhindern.
Eine innovative Optik spaltet einen leistungsstarken ultraschnellen Laserpuls in mehrere Teilstrahlen, die dann auf der zu bearbeitenden Oberfläche zusammengeführt werden. Unter dem Mikroskop betrachtet ähnelt die resultierende Mikrostruktur mikroskopisch kleinen „Hallen“, die aus „Säulen“ oder Riffelungen bestehen. Der Abstand zwischen den „Säulen“ beträgt etwa 150nm bis 30μm – diese Struktur führt dazu, dass die Wassertropfen die Oberfläche nicht mehr benetzen können und daran haften bleiben, weil sie nicht genügend Halt auf der Oberfläche haben.
Zu den Vorteilen des Materials für Flugzeuge gehört eine erhöhte Wasser-, Eis- und Insektenabweisung. Diese können an der Oberfläche des Flugzeugs haften bleiben und den Windwiderstand des Flugzeugs erhöhen, wodurch der Treibstoffverbrauch steigt. Die Anwendung dieser Lasertexturierung würde den Bedarf an giftigen chemischen Behandlungen verringern, die derzeit auf Flugzeugoberflächen zur Vermeidung von Vereisung angewendet werden. Es ist bekannt, dass es mit der Zeit altert und anfällig für Schäden wird. Darüber hinaus können mit dem DLIP-Verfahren hergestellte Laserstrukturen jahrelang halten, ohne dass Umweltbedenken entstehen.
