Negli ultimi anni, il settore aerospaziale - inclusi aerei commerciali e militari, satelliti, veicoli spaziali, droni e veicoli aerei senza pilota (UAV) - ha subito alcuni cambiamenti radicali. Un numero crescente di aziende ha aderito alla corsa allo spazio, molte delle quali richiedono tecnologie di produzione innovative.
Al contrario, l'impatto delle restrizioni ai viaggi causate dalla pandemia sull'aviazione commerciale ha portato a un calo di un terzo dei tassi di produzione di aeromobili civili.
Nel 2019, l'Europa è stata uno dei leader mondiali nella produzione di aeromobili civili ed elicotteri (inclusi vari componenti e motori aeronautici), fornendo circa 400000 posti di lavoro e generando entrate per 130 miliardi di euro. Mentre l'esplorazione e la difesa dello spazio non sono in gran parte influenzate dalla pandemia di New Crown, la produzione e la produzione di aeromobili civili sono ancora in fase di ripresa.
Nella sua pubblicazione del febbraio 2023, Uncertainty in Commercial Aerospace, la principale società di consulenza e ricerca McKinsey riferisce che il mondo ha bisogno di assorbire un arretrato di ordini per costruire 9.400 aerei passeggeri (principalmente jet a fusoliera stretta) entro la fine del 2027. Ma c'è incertezza sulla futura crescita del trasporto aereo di passeggeri, sulla filiera e sulla solidità della forza lavoro. Di conseguenza, i produttori devono migliorare la produttività e la flessibilità per gestire l'arretrato 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 nel settore aerospaziale. La lavorazione laser - sotto forma di operazioni di taglio, saldatura, pallinatura e perforazione - è diventata parte integrante della produzione aerospaziale.
Ad esempio, i laser vengono utilizzati per la produzione di deflettori alari di aeromobili, elementi di fissaggio delle ali, componenti di motori a reazione e parti di sedili, nonché per riparare turbine, pulire o rimuovere la vernice dalle parti e preparare le superfici dei componenti per ulteriori lavorazioni. Negli ultimi anni, anche la produzione additiva laser (AM) è diventata sempre più popolare nel settore del volo aerospaziale. Inoltre, il mercato vuole migliorare la tracciabilità dei componenti aerospaziali e, con ciò, la domanda di marcatura laser è in aumento.
Taglio e saldatura laser
Il taglio laser è un processo rapido, economico e preciso che può essere utilizzato per soddisfare i severi requisiti di produzione del settore aerospaziale.
Rispetto alla lavorazione tradizionale, il taglio laser offre elevata precisione, minor spreco di materiale, velocità di lavorazione più elevate, costi inferiori e minore manutenzione delle attrezzature. Inoltre, la produttività può essere massimizzata perché consente di apportare rapidamente e facilmente eventuali modifiche necessarie al processo.
Il laser può essere utilizzato per produrre parti di fissaggio delle ali, parti di fissaggio, parti di dispositivi di estremità, parti di utensili, ecc. come coni di scarico. Può lavorare una 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 produzione di aeromobili è sempre più apprezzato e viene utilizzato ove possibile per sostituire i giunti rivettati. Tecnologie come la saldatura oscillante laser hanno avuto successo anche nelle connessioni dei serbatoi di carburante, migliorando l'efficienza e la forza della connessione, riducendo le rilavorazioni e fornendo notevoli risparmi sui costi. Altri successi di saldatura nel settore aerospaziale includono il fissaggio di nuclei fusi di pale di turbine a coperture; e la creazione di nuovi tipi di alette alari leggere che aumentano il controllo del flusso laminare, riducono al minimo la resistenza e ottimizzano l'efficienza del carburante.
Con il potenziale di risparmio sui costi, la riduzione del peso dei componenti e una migliore qualità della saldatura rispetto ai metodi tradizionali, diversi produttori sul mercato stanno già prendendo in considerazione la saldatura laser per le parti della cellula.
Pulizia laser
I produttori del settore aerospaziale utilizzano la pulizia laser per rimuovere strati da superfici metalliche e composite in preparazione alla lavorazione, per rimuovere rivestimenti o corrosione e per rimuovere la vernice da parti di grandi dimensioni o interi aeromobili prima della riverniciatura.
Durante il processo di pulizia, la luce laser viene assorbita ed evaporata dallo strato superficiale di metallo, determinando l'ablazione del materiale superficiale con effetti minimi o nulli sullo strato interno e nessun danno termico collaterale al componente. I laser a fibra pulsata di classe Kilowatt sono particolarmente adatti per la pulizia laser rapida: possono pulire un'ampia gamma di materiali, tra cui ceramica, compositi, metalli e plastica, con elevata efficienza e precisione.
L'uso dei compositi negli aerei è aumentato negli ultimi anni, così come la necessità di unire i metalli ai compositi. Nella produzione aerospaziale, gli adesivi possono essere utilizzati per unire questi due diversi materiali e, per creare un forte legame, le due superfici devono essere accuratamente preparate per la lavorazione prima dell'applicazione dell'adesivo.
La pulitura laser è l'opzione ideale perché crea un effetto superficiale molto strettamente controllato e riproducibile che è in grado di ottenere un legame uniforme e prevedibile. Tradizionalmente, ciò sarebbe stato ottenuto attraverso tecniche di sabbiatura distruttiva o l'applicazione di diversi prodotti chimici. Tuttavia, la pulizia laser ora offre un approccio in un'unica fase che non solo è più conveniente e produttivo, ma ha anche un impatto ambientale molto inferiore 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.
La pulizia laser di componenti aeronautici in metallo e compositi è anche più vantaggiosa delle tecniche di sverniciatura chimica o sabbiatura quando si tratta di sverniciatura. Nel corso della sua vita, un aeromobile può essere riverniciato 4-5 volte e potrebbe essere necessaria una settimana o più per rimuovere la vernice da un 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 offre anche ai lavoratori un accesso più facile alle parti. Inoltre, se utilizzata per la rimozione della vernice piuttosto che per la sverniciatura chimica o la sabbiatura, la pulizia laser può comportare 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.
Sabbiatura laser/pallinatura a impatto laser
Le sollecitazioni all'interno dei componenti metallici possono portare alla rottura per fatica del metallo nei componenti degli aeromobili, come le pale delle ventole nei motori a reazione, che possono potenzialmente causare danni o lesioni. Questo può essere mitigato da una tecnica nota come martellatura laser.
In questo processo, gli impulsi laser vengono diretti verso un'area ad alta concentrazione di 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. La martellatura laser può prolungare la vita utile delle parti metalliche di 10-15 volte rispetto ai processi convenzionali.
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'emergere e l'espansione di cricche causate da sollecitazioni di vibrazione cicliche. La flessibilità dell'erogazione del raggio in fibra ottica e degli strumenti personalizzati consente al sistema di laserare aree difficili da raggiungere dell'aeromobile. Secondo i partner, il sistema è un passo avanti nella tecnologia di martellatura laser e ne farà progredire l'uso, tra cui l'estensione della durata delle pale dei motori a reazione, tra le altre cose.
Anche il US Navy Fleet Readiness Center East (FRCE) ha recentemente completato la convalida di un processo di rafforzamento dell'impatto 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 la capacità di trasportare carburante o armi. Ciò aiuta a prolungare l'aspettativa di vita del caccia di quinta generazione, la versione a decollo e atterraggio breve utilizzata dal Corpo dei Marines degli Stati Uniti.
Perforazione laser
I moderni motori aeronautici hanno circa 500,000 fori, circa 100 volte il numero di motori costruiti negli anni '80. Allo stesso tempo, i produttori di aeromobili stanno producendo sempre più altri componenti che hanno un gran numero di fori per connessioni rivettate e avvitate. La perforazione laser ha quindi un enorme potenziale di mercato nel settore aerospaziale perché offre 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 che saranno montati su stabilizzatori alari o di coda. Questi pannelli aspirano l'aria attraverso piccoli fori, riducendo così la resistenza per attrito e abbassando il consumo di carburante.
I laser immagine sono sempre più utilizzati per la perforazione di componenti aeronautici in CFRP
(Credito immagine: Laser Center Hannover)
Poiché la perforazione laser è senza contatto, il materiale in lavorazione non deve essere tenuto come se fosse lavorato con utensili convenzionali. Un altro vantaggio dell'assenza di contatto è che non si verifica usura dell'utensile, il che rappresenta un vantaggio particolare nell'operazione di foratura di componenti CFRP. A causa della loro durezza, i componenti CFRP possono causare un'usura molto elevata sugli 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.
Produzione di additivi
Anche la produzione additiva laser (AM) sta guadagnando un rapido slancio nel settore aerospaziale. In questa tecnica, un laser fonde strati continui di polvere per costruire forme. Una società di missilistica con sede in California ha persino recentemente ordinato 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 stata utilizzata con successo in due missioni su Marte. Il rover Curiosity della NASA, atterrato nell'agosto 2012, è stata la prima missione a trasportare parti stampate in 3D su Marte. Si tratta di un componente ceramico all'interno dello strumento Sample Analysis on Mars (SAM), parte di un programma di test in corso per indagare sull'affidabilità della tecnologia di produzione additiva.
Nel frattempo, il rover Trailblazer della NASA, che atterrerà su Marte nel febbraio 2021, contiene 11 parti metalliche prodotte con additivi laser. Cinque delle parti sono nel Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry (PIXL) di Trail, che sta cercando segni di vita fossile microbica su Marte. Queste parti devono essere così leggere da non poter essere prodotte con le tradizionali tecniche di forgiatura, stampaggio e taglio.
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 realizzata con una lega di rame. Questo continuo sviluppo della produzione additiva laser ha portato a un componente che può essere prodotto a circa la metà del costo e un sesto del tempo richiesto per la lavorazione, la giunzione e l'assemblaggio tradizionali. Poiché le leghe di rame utilizzate sono altamente riflettenti dei 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.
Ingrossamento laser
Anche la sgrossatura laser è un'applicazione molto nuova nell'industria aerospaziale. In questo processo, i laser ultraveloci vengono utilizzati per creare micro-nanostrutture sulle superfici degli aerei attraverso una tecnica nota come modellazione interferometrica laser diretta (DLIP), che viene utilizzata per creare un "effetto loto" naturale, creando nanostrutture che aiutano a prevenire la contaminazione superficiale e il ghiaccio accumulo sull'aereo.
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 una microscopica "sala" di "pilastri" o increspature. La distanza tra i "pilastri" è compresa tra circa 150nm e 30µm - una struttura che significa che le gocce d'acqua non bagnano più la superficie e vi si attaccano perché non hanno abbastanza presa sulla superficie.
I vantaggi di questo materiale per l'aereo includono una maggiore repulsione di acqua, ghiaccio e insetti. Questi possono aderire alla superficie del velivolo e aumentare la resistenza del velivolo al vento, aumentando così il consumo di carburante. L'applicazione di questa texture laser ridurrà la necessità di trattamenti chimici tossici attualmente applicati alle superfici degli aerei per evitare la formazione di ghiaccio. È noto che si deteriora nel tempo ed è soggetto a danni. Inoltre, le strutture laser prodotte con il metodo DLIP possono durare diversi anni e non causare problemi ambientali.
