民間および衛星、宇宙船、ドローン、無人航空機 (UAV) を含む航空宇宙分野は、近年根本的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。
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、航空宇宙産業からのこの対応を実現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、ブラスト、穴あけなどの作業を実現するレーザー加工は、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、フラップ、翼ファスナー、ジェット エンジンの部品、飛行機の翼の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の表面の準備にも使用されます。 近年、レーザー積層造形 (AM) は宇宙飛行分野でも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目指しており、それに伴いレーザーマーキングの需要も高まっています。
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、加工に必要な変更を迅速かつ簡単に行うことができるため、生産性が最大化されます。
レーザーは、ウィング 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。 排気コーンなどの大型部品だけでなく、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型部品にも同様に適しています。 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、幅広い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重要性が増している材料であり、可能な限りリベット留めの代替として使用されています。 レーザー振り子溶接などの技術は、燃料タンクの接合にも成功しており、接合部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。
従来の方法に比べてコスト削減、部品の軽量化、溶接品質の向上が期待できるため、今日の市場ではいくつかのメーカーが機体部品のレーザー溶接を検討し始めています。
レーザークリーニング
航空宇宙分野のメーカーは、レーザー洗浄を使用して、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、再塗装する前に大きな部品や航空機全体から塗料を除去したりしています。
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、内部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効率的かつ高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、金属を複合材料に取り付け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両面の機械加工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複製可能な表面仕上げを作成し、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、環境への影響も少ないワンステップのアプローチを提供します。 レーザー洗浄による部品への影響も、従来の方法よりもはるかに穏やかです。
金属および複合航空機部品のレーザー洗浄も、塗装剥離に関しては、化学剥離やブラスト技術よりも有利です。 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、航空機のサイズにもよりますが、レーザー洗浄を使用すると、この時間を 3-4 日まで短縮でき、作業員が部品にアクセスすることも容易になります。 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、大幅なコスト削減 (航空機 1 台あたり数千ポンド) をもたらす可能性があります。
レーザーショットピーニング・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、航空機コンポーネント (ジェット エンジンのファン ブレードなど) で金属疲労破壊を引き起こす可能性があり、損傷や傷害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、各パルスが部品の表面とその上に噴霧された水の層との間で小さなプラズマ爆発を引き起こします。 水の層が爆発を閉じ込め、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が発生します。 これらの応力により、金属の亀裂やその他の疲労耐性が発生する可能性が向上します。 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。
レーザーブラストは航空宇宙産業でますます使用されています。 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発生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マイズされたツールの柔軟性により、システムは航空機が到達するのが難しい領域にレーザービーム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、その利用を前進させるだろう。
レーザー穴あけ加工
現代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約 100 倍です。 同時に、航空機メーカーは、リベット留めやネジ留め接続用に多数の穴が開けられた他のコンポーネントをますます多く製造しています。 したがって、航空宇宙分野では、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、大きな市場の可能性を秘めています。
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み、摩擦抵抗を軽減し、燃料消費量を削減します。
レーザー穴あけ加工は非接触であるため、従来の工具を使用して加工する場合と同様に、加工対象の材料を固定する必要がありません。 非接触であることのもう 1 つの利点は、工具の磨耗が発生しないことです。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、従来の工具に対して非常に摩耗しやすい場合があります。 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成長しています。 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の費用対効果と効率を高めるために、12- レーザー ビーム 3D プリンタを 2 台注文しました。
これらのプロジェクトの多くはまだテスト段階にありますが、レーザー積層造形はすでに火星への 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運ぶ初めての火星探査ミッションでした。 これは、火星サンプル分析 (SAM) 機器内のセラミック 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。
GRCop-42 L-PBF ガスケットと Nasa HR-1 LP-DED シースを備えた NASA 製バイメタル燃焼室
一方、2021年2月に火星に着陸したNASAの探査機パーサヴィアランスには、レーザー積層造形で作られた11個の金属部品が含まれている。 これらの部品のうち 5 つは、火星で微生物の化石生命の兆候を探しているパーサヴィアランスの X 線石油化学用惑星装置 (PIXL) に含まれています。 これらの部品は非常に軽量である必要があるため、従来の鍛造、成形、切断技術では製造できません。
NASA は、ロケット部品にレーザー積層造形を使用する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アプリケーションは現在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。
レーザーグロス加工
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およびナノ構造を作成します。これは、表面の汚染を防ぐのに役立つナノ構造を作成する自然な「ロータス効果」を生み出すために使用されます。航空機に氷が蓄積することもあります。
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 150 nm ～ 30 μm です。この構造は、水滴が表面に十分なグリップを持たないため、水滴が表面を濡らしたり付着したりしないことを意味します。
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、航空機の風の抵抗を増加させ、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 テクスチャーを適用すると、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老化し、損傷を受け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何年も使用でき、環境問題を引き起こしません。
レーザー検査とストレス規制
上記の機能に加えて、レーザーと超音波の組み合わせは、複雑な金属構造コンポーネントの検査と応力調整に使用できます。 高エネルギーパルスレーザーを使用すると、試験対象物の表面に作用し、表面の局所的な温度が変化します。これにより、試験対象物の表面層が熱膨張し、超音波が励起され、超音波が搬送されます。材料の表面と内部の有益な情報、検出器で受信する超音波信号、欠陥の有無を判断するための検査対象のデータ処理と分析。
さらに、レーザー超音波は時間的および空間的分解能が高く、豊富な波形、超音波の広帯域幅などを生成できるため、切り替えとレーザー励起パラメータの調整後、レーザー超音波を任意の指定部位の部位に照射することができます。すべての引張応力を除去するには、表面の完全性を破壊しない場合、加熱せずに、一定の厚さの圧縮応力強化層を形成します。 また、応力値を設計要求範囲内に調整することも可能であり、局所疲労や耐クラック性を大幅に最適化することができます。
