近年、民間航空機および軍用航空機、衛星、宇宙船、ドローン、無人航空機 (UAV) を含む航空宇宙分野は、大幅な変化を遂げています。 宇宙開発競争に参加する企業が増えており、その多くは革新的な製造技術を必要としています。
対照的に、パンデミックによる渡航制限の民間航空への影響により、民間航空機の製造率は3分の1低下した。
2019年、ヨーロッパは民間航空機とヘリコプターの生産（さまざまな部品や航空機エンジンを含む）の世界的リーダーの一つであり、約400,000の雇用を提供し、1,300億ユーロの収益を生み出しました。 宇宙探査と防衛はニュークラウンのパンデミックによる影響をほとんど受けていないが、民間航空機の生産と製造は依然として回復段階にある。
大手コンサルティング・調査会社マッキンゼーは、2023年2月に出版した『商業航空宇宙の不確実性』の中で、世界は2027年末までに9,400機の旅客機（主に狭胴機）を製造する受注残を吸収する必要があると報告している。しかし不確実性はある。航空旅客輸送の将来の成長、サプライチェーン、労働力の健全性について。 その結果、メーカーはバックログを処理し、将来の需要の変化に対応するために、生産性と柔軟性を向上させる必要があります。
生産性を向上させ、コストを低く抑えるレーザー加工の能力は、航空宇宙産業におけるこの対応を可能にする上で重要な役割を果たす可能性があります。 切断、溶接、ショットピーニング、穴あけ作業などのレーザー加工は、航空宇宙産業の製造に不可欠な部分となっています。
たとえば、レーザーは、航空機の翼フラップ、翼ファスナー、ジェット エンジン部品およびシート部品の製造に使用されるだけでなく、タービンの修理、部品の洗浄または塗装の除去、さらなる加工に備えた部品表面の準備にも使用されます。 近年、航空宇宙飛行分野でもレーザー積層造形 (AM) の人気が高まっています。 さらに、市場は航空宇宙部品のトレーサビリティの向上を望んでおり、それに伴いレーザーマーキングの需要も増加しています。
レーザー切断と溶接
レーザー切断は、航空宇宙分野の厳しい製造要件を満たすために使用できる、高速でコスト効率が高く、正確なプロセスです。
従来の加工と比較して、レーザー切断は高精度、材料の無駄が少なく、加工速度が速く、コストが低く、装置のメンテナンスが少なくて済みます。 さらに、プロセスに必要な変更を迅速かつ簡単に行うことができるため、生産性を最大化できます。
レーザーは、翼ファスナー部品、固定具部品、エンドエフェクター部品、ツーリング部品などの製造に使用できます。グラフト オイル ガスケットやチタン パイロット チューブ マニホールドなどの小さな部品だけでなく、次のような大きな部品にも同様に適しています。排気コーンとして。 アルミニウム、ハステロイ（モリブデンやクロムなどの元素と合金化されたニッケル）、インコネル、ニチノール、ニチノール、ステンレス鋼、タンタル、チタンなど、さまざまな航空宇宙材料を加工できます。
レーザー溶接は、接着や機械的固定などの従来の接合方法の代替として航空宇宙分野でも使用されています。 たとえば、航空機製造における軽量アルミニウム合金と炭素繊維強化ポリマー (CFRP) のレーザー溶接の使用はますます評価されており、可能な限りリベット接合の代わりに使用されています。 レーザースイング溶接などの技術は、燃料タンクの接続でも成功しており、接続の効率と強度を向上させ、やり直しを減らし、大幅なコスト削減を実現します。 航空宇宙分野におけるその他の溶接成功例には、タービンブレードの鋳造コアをカバーに取り付けることが含まれます。 そして、層流制御を強化し、抗力を最小限に抑え、燃料効率を最適化する新しいタイプの軽量翼フラップを作成します。
従来の方法と比較してコスト削減、部品の軽量化、溶接品質の向上の可能性があるため、市場のいくつかのメーカーは現在、機体部品のレーザー溶接を検討しています。
レーザークリーニング
航空宇宙分野のメーカーは、機械加工の準備として金属や複合材の表面から層を除去したり、コーティングや腐食を除去したり、再塗装する前に大型部品や航空機全体から塗料を除去したりするためにレーザー洗浄を使用しています。
洗浄プロセス中、レーザー光は金属の表面層に吸収されて蒸発し、その結果、内層にはほとんどまたはまったく影響を与えずに表面材料がアブレーションされ、コンポーネントへの付随的な熱損傷は発生しません。 キロワットクラスのパルスファイバーレーザーは、迅速なレーザー洗浄に特に適しており、セラミック、複合材料、金属、プラスチックなどの幅広い材料を高い効率と精度で洗浄できます。
近年、航空機における複合材料の使用が増加しており、金属を複合材料に接合する必要性も高まっています。 航空宇宙製造では、これら 2 つの異なる材料を接合するために接着剤が使用されますが、強力な接着を実現するには、接着剤を塗布する前に 2 つの表面の処理を注意深く準備する必要があります。
レーザー洗浄は、非常に厳密に制御された再現可能な表面効果を生み出し、一貫した予測可能な結合を実現できるため、理想的なオプションです。 従来、これは破壊的な爆破技術やいくつかの化学物質の適用によって達成されていました。 しかし、レーザー洗浄は、コスト効率と生産性がより高いだけでなく、有毒な化学物質やブラスト材が必要ないため、環境への影響もはるかに少ないワンステップのアプローチを提供します。 また、レーザー洗浄は従来の方法よりも部品にはるかに優しいです。
金属および複合航空機部品のレーザー洗浄は、塗装剥離に関しては化学剥離やブラスト技術よりも有益です。 航空機はその耐用期間中に 4-5 回再塗装される可能性があり、従来の技術を使用して航空機全体の塗装を除去するには 1 週間以上かかる場合があります。 対照的に、レーザー洗浄を使用すると、航空機のサイズに応じてこの時間を 3-4 日に短縮でき、作業員が部品に簡単にアクセスできるようになります。 さらに、レーザー洗浄を化学剥離やブラストではなく塗装除去に使用すると、有害廃棄物が約 90% 以上削減され、マテリアルハンドリングの要件が軽減されるため、航空機 1 台あたり数千ポンドという大幅なコスト削減が可能になります。
レーザーブラスト/レーザーインパクトピーニング
金属コンポーネント内の応力は、ジェット エンジンのファン ブレードなどの航空機コンポーネントに金属疲労破壊を引き起こす可能性があり、損傷や怪我を引き起こす可能性があります。 これはレーザーピーニングとして知られる技術によって軽減できます。
このプロセスでは、レーザー パルスが応力集中の高い領域に照射され、各パルスがコンポーネントの表面とその上に噴霧された水の層との間に小さなプラズマ爆発を引き起こします。 水層は爆風を閉じ込め、衝撃波がコンポーネントを貫通し、伝播領域が拡大するにつれて圧縮残留応力を生成します。 これらの応力は、亀裂やその他の形態の金属疲労を抑制します。 レーザーピーニングは、従来のプロセスと比較して金属部品の耐用年数を 10-15 倍延ばすことができます。
レーザーピーニングは航空宇宙産業で使用されることが増えています。 たとえば、LSP Technologies とエアバスは、ポータブル レーザー ピーニング システムを共同開発し、最近フランスのトゥールーズにあるエアバスの保守修理施設でテストおよび評価されました。
Leopard レーザーピーニングシステムは、周期的な振動応力によって引き起こされる亀裂の出現と拡大を抑制することで疲労寿命を延長します。 光ファイバーのビーム配信とカスタム ツールの柔軟性により、システムは航空機の届きにくい領域にレーザーを照射することができます。 パートナーらによると、このシステムはレーザーピーニング技術の画期的なものであり、ジェットエンジンブレードの寿命延長など、その利用が進むだろうという。
米海軍艦隊即応センター東部 (FRCE) も最近、レーザー衝撃強化プロセスの検証を完了し、F-35B ライトニング II 航空機での使用に成功しました。 FRCEは、燃料や武器の搭載能力を制限する追加の材料や重量を追加することなく、F-35B ライトニング II のフレームを強化するプロセスを使用しました。 これは、米海兵隊が使用する短距離離着陸型である第5世代戦闘機の寿命を延ばすのに役立つ。
レーザー穴あけ加工
現在の航空エンジンには約 500,000 個の穴があり、これは 1980 年代に製造されたエンジンの数の約 100 倍です。 同時に、航空機メーカーは、リベット接続やねじ接続用に多数のドリル穴を備えた他のコンポーネントをますます製造しています。 したがって、レーザー穴あけ加工は、正確で再現性があり、高速でコスト効率の高いプロセスを提供するため、航空宇宙分野で大きな市場潜在力を持っています。
たとえば、新しい高出力フェムト秒レーザー システムは、翼または尾翼スタビライザーに取り付けられる大型チタン HLFC (ハイブリッド層流制御) パネルの効率的かつ正確なマイクロドリリングのために開発されています。 これらのパネルは小さな穴を通して空気を引き込むため、摩擦抵抗が軽減され、燃料消費量が削減されます。
画像 CFRP 航空機コンポーネントの穴あけにレーザーの使用が増加
(画像クレジット: Laser Center Hannover)
レーザー穴あけ加工は非接触であるため、加工される材料を従来の工具で加工する場合と同じ方法で保持する必要がありません。 非接触のもう 1 つの利点は、工具の磨耗が発生しないことであり、これは CFRP コンポーネントの穴あけ作業において特に有利です。 CFRP コンポーネントはその硬度により、従来の工具に非常に大きな摩耗を引き起こす可能性があります。 レーザー穴あけ加工は非常に高速で実行できるため、熱による過度の損傷が加工対象の材料に悪影響を与えることはありません。
積層造形
レーザー積層造形 (AM) も航空宇宙産業で急速に勢いを増しています。 この技術では、レーザーで粉末の連続層を溶かして形状を構築します。 カリフォルニアに本拠を置くロケット会社は、最近、より軽量、より高速、より強力な宇宙コンポーネントを作成することで宇宙ミッションをより経済的かつ効率的にするために、12- レーザー ビーム 3D プリンタを 2 台注文しました。
多くのプロジェクトはまだテスト段階にありますが、レーザー積層造形は火星への 2 つのミッションで成功裏に使用されています。 2012 年 8 月に着陸した NASA の探査車キュリオシティは、3D プリントされた部品を火星に運ぶ最初のミッションでした。 これは、火星サンプル分析 (SAM) 装置内のセラミック コンポーネントであり、積層造形技術の信頼性を調査するための進行中のテスト プログラムの一部です。
一方、2021 年 2 月に火星に着陸する NASA の探査機「トレイルブレイザー」には、11 個のレーザー積層造形金属部品が含まれています。 部品のうち 5 つは、火星の微生物の化石生命の兆候を探しているトレイルの X 線石化化学用惑星装置 (PIXL) に含まれています。 これらの部品は、従来の鍛造、成形、切断技術では製造できないほど軽量である必要があります。
NASA はロケット部品のレーザー積層造形の実験も行っています。 ある研究では、ロケットエンジンの燃焼室は銅合金で作られていました。 レーザー積層造形の継続的な開発により、従来の機械加工、接合、組み立てに必要なコストの約半分、時間の 6 分の 1 で製造できるコンポーネントが実現しました。 使用されている銅合金は赤外線レーザーの反射率が高いため、NASA は現在、緑色レーザーまたは青色レーザーがどのように効率と生産性を向上させることができるかを研究しています。
航空宇宙における積層造形の利用はまだ初期段階にありますが、今後 20 年間で成長すると予想されています。
レーザーグロス
レーザーグロス加工は、航空宇宙産業における非常に新しいアプリケーションでもあります。 このプロセスでは、超高速レーザーを使用して、直接レーザー干渉パターニング (DLIP) として知られる技術を通じて航空機の表面にマイクロ ナノ構造を作成します。これは、自然な「ロータス効果」を生み出すために使用され、表面の汚染や氷の防止に役立つナノ構造を作成します。航空機上の蓄積。
革新的な光学系は、強力な超高速レーザー パルスをいくつかの部分ビームに分割し、処理される表面上で結合します。 顕微鏡で見ると、結果として生じる微細構造は、「柱」または波紋の微細な「ホール」に似ています。 「柱」間の距離は約 150nm ～ 30μm です。この構造は、水滴が表面を濡らしたり付着したりすることがなくなります。これは、表面に対する十分なグリップ力がないためです。
航空機にとってこの材料の利点には、水、氷、昆虫の反発力が高まることが含まれます。 これらは航空機の表面に付着し、航空機の風に対する抵抗を増加させ、燃料消費量を増加させる可能性があります。 このレーザー テクスチャーの適用により、着氷を避けるために現在航空機の表面に適用されている有毒な化学処理の必要性が軽減されます。 時間の経過とともに劣化し、損傷しやすいことが知られています。 さらに、DLIP 法で製造されたレーザー構造は数年間使用でき、環境問題を引き起こしません。
