Лазерный мир

Мэтью Дейл сообщает о ICALEO 2019, где эксперты осветили возникающие проблемы, связанные с обработкой легких материалов для аэрокосмической промышленности

Проблемы в транспортировке луча, контроле качества, безопасности и образовании в настоящее время ограничивают использование лазеров для резки и соединения легких материалов в аэрокосмической отрасли.

Об этом слышали участники панельной дискуссии, состоявшейся на Международном конгрессе LIA по применению лазеров и электрооптики (ICALEO) в Орландо, штат Флорида, в октябре.

Преодоление этих проблем будет иметь жизненно важное значение для удовлетворения растущего спроса на такие материалы, в том числе термопластичные композиты и сплавы на основе алюминия, к которым аэрокосмические фирмы все чаще обращаются, чтобы уменьшить вес  самолета и, в конечном итоге, снизить расход топлива.

Верена Виппо, руководитель группы композитов в Laser Zentrum Hannover, подчеркнула в дискуссии, что фирмы, в том числе Stelia Aerospace и GKN Aerospace, уже обращаются к углеродно-волокнистым полимерам (CFRP, carbon fibre-reinforced polymers) — термопластичным композитам — для производства крупных деталей самолетов, таких как винглеты (концевые аэродинамические поверхности крыла, пр. пер.) и кессоны крыла, с возможной целью изготовления целых фюзеляжей с их использованием.

https://www.lasersystemseurope.com/sites/default/files/content/analysis-opinion/Fokker%20Torsion%20box%20cropped_2.jpg

39-футовый демонстратор           кессонов крыла из углеродного волокна-PEKK. (Изображение: GKN Aerospace).

«Лазеры можно использовать для резки, обрезки и сварки этих материалов», — сказала она. «Это тема, которую мы должны рассмотреть в ближайшие пару лет».

Wippo продолжила, подчеркнув, что для каждого из этих приложений в настоящее время существуют ограничения, препятствующие использованию лазеров в полную силу.

Необходима более быстрая технология сканирования

Взять, к примеру, вырезку и обрезку. Эти процессы могут быть использованы для приведения термопластичных деталей к их окончательной форме после их изготовления в процессе термоформования. По словам Виппо, при использовании лазера для этого важно использовать высокую мощность, чтобы получить короткое время обработки и высокое качество резки. Однако, чтобы уменьшить любое термическое повреждение материала, также требуется очень высокая скорость обработки.

Нам нужна более высокая скорость сканирования и зеркала, обеспечивающие более высокую мощность лазера. Вот где мы сталкиваемся с ограничениями в области оптики, — сказала Виппо. ‘Несмотря на то, что у нас есть доступ к мощным лазерным системам, у нас нет возможности действительно очень быстро перемещать лазерный луч по заготовке — нам нужна более высокая скорость сканирования и зеркала, обеспечивающие более высокую мощность лазера. Это действительно важно для нас.

Более подробно она рассказала Laser Systems Europe, что ее команде еще предстоит увидеть на рынке технологию сканирования, способную удовлетворить требования таких режущих приложений.

Перемещение луча на более высоких скоростях — это не единственная проблема, с которой в настоящее время сталкиваются Виппо и ее коллеги при резке термопластов: «Подготовка отверстия, например, для клепки, также является проблемой», — сказала она. ‘Если у вас толстая деталь из углепластика, очень трудно получить в ней отверстие с углом резания 90 градусов из-за соотношения сторон между диаметром лазерного луча и толщиной материала. Это действительно важная тема, так как в настоящее время существует большой спрос на технологии, которые могут обеспечить решение ».

Проблемы при сварке деталей, армированных волокном

Сварка термопластов также не обходится без проблем. По словам Виппо, в настоящее время невозможно соединить армированные волокном детали с низкой прозрачностью, толщиной более 2 мм, с помощью лазеров, а это означает, что в настоящее время технология действительно ограничивается только соединением тонких деталей для внутренних деталей самолета, таких как облицовка.

Эти сварки часто включают длинные сварные швы, что само по себе создает определенные проблемы: «Чтобы иметь возможность выполнять эти сварные швы, мы должны иметь возможность не только иметь однородный сварочный источник, но также и способность адаптировать распределение энергии внутри этой сварочной точки, — объяснила Виппо.  В настоящее время мы решаем эту проблему как часть проекта, который работает уже более года. В рамках этого проекта мы разрабатываем новую сварочную головку, производящую нескольких отдельных точек, мощность каждого пятна контролируется индивидуально. Это потребовало разработки новой специальной оптики, которая позволит нам вводить новые температурные поля в сварном шве ».

Демонстрация термопластичного фюзеляжа. (Фото: Stelia Aerospace)

Виппо продолжила, объяснив, что наличие этой возможности будет особенно важно, когда большой сварной шов должен обтекать небольшую кривую, поскольку это можно использовать для предотвращения слишком большого количества энергии, вводимой внутрь кривой, что может повредить термопласты.

Другой проблемой при выполнении больших сварных швов является обеспечение качества шва. Виппо объяснила, что, хотя для мелких деталей можно измерить смещение расплава, чтобы определить качество шва, для больших деталей в настоящее время мониторинг сварных швов в режиме онлайн является очень большой проблемой.

Проблемы при сварке легких металлических сплавов

Однако проблемы сварки существуют не только для деталей из углепластика и стеклопластика  в аэрокосмической отрасли, однако, как подчеркнул доктор Мохаммед Наим, директор по развитию бизнеса и специальных проектов в Prima Power Laserdyne, который также принял участие в панели обсуждение возможности соединения легких материалов.

‘Мы наблюдаем все более широкое использование сплавов на основе алюминия в легких аэрокосмических конструкциях. Однако проблема для наших клиентов заключается в том, что алюминиевые сплавы очень трудно сваривать », — сказал он. «Большинство этих сплавов имеют тенденцию к растрескиванию, поэтому перед нами стоит задача найти решение для их сварки без разрушения деталей, некоторые из которых могут быть довольно больших размеров».

Он пояснил, что даже после оптимизации пиковой / средней мощности лазера, длительности импульса, энергии импульса, частоты повторения импульсов и плотности мощности для таких сплавов большинство сварных швов все еще не соответствуют строгим требованиям к качеству аэрокосмической промышленности. Тем не менее, метод, часто рекомендуемый для улучшения качества таких сварных швов, известный как  формирование временной формы импульсов, может использоваться для уменьшения и даже предотвращения растрескивания и пористости в сварных швах. Это видно на Рисунке 1, на котором представлены микрофотографии сварных швов из алюминиевого сплава серии 6ххх, склонного к образованию трещин затвердевания и пористости, выполненных с временным формированием импульса и без него.

Рисунок 1: При использовании обычной формы импульса появляются трещины в алюминиевом сплаве 6ххх (слева), в то время как при использовании формы импульса с рампой не возникает трещин затвердевания или пористости (справа)

Снижение окисления при сварке таких материалов в настоящее время также является проблемой для Prima Power Laserdyne. Хотя это можно в определенной степени предотвратить, используя защитный газ, который защищает зону сварного шва от водяного пара и кислорода, экранирование больших аэрокосмических деталей не является простой задачей. «Некоторые обрабатываемые компоненты являются непрямолинейными и имеют очень сложные формы, и поэтому попытка защитить их таким образом, чтобы получить идеальный сварной шов, является для нас самой большой проблемой прямо сейчас», — сказал Наим. «Хотя это нормально для линейных сварок, когда вы начинаете выполнять 3D-сварку и свариваете углы, экранирование становится кошмаром».

Достаточно ли будет сварки?

Наим отметил, что в настоящее время в Европе растет аэрокосмический рынок, и все больше и больше компаний обращаются к лазерам для сварки компонентов двигателя, особенно во Франции и Великобритании.

«Мы получаем множество запросов на субподряды для таких компаний, как GE и Rolls Royce, которые все чаще занимаются лазерной сваркой», — сказал он.

Корея

В Корее также наблюдается рост лазерной сварки. Это исходит от компаний, которые уже имеют опыт лазерного сверления и понимают, что они также могут использовать лазеры для сварки ».

Виппо отметила, что для соединения деталей конструкций , однако, она не верит, что аэрокосмический сектор готов зависеть исключительно от лазерной сварки. «В настоящее время большинство деталей соединяются клепкой, и, хотя лазерная сварка может использоваться для соединения любых деталей, вплоть до крупных деталей, с длинными сварными швами, я не уверена, что авиакосмическая промышленность полностью отойдет от клепки», — прокомментировала она. ,

Проблемы в сфере безопасности и образования

Одна из последних проблем, отмеченных Wippo, была связана не с каким-либо конкретным применением лазера, а с общим применением лазерной обработки в аэрокосмической отрасли.

Вы должны сделать очень большие площади лазерно-безопасными, не прерывая работу в других пространствах. «Ввиду масштаба участвующих деталей, большая часть изготовления самолета происходит в больших заводских цехах, что также может создавать дополнительные проблемы при работе с лазерами, » — сказала она. «Когда вы хотите внедрить лазерную систему в эту производственную линию, вы должны найти новые способы обеспечения лазерной безопасности, потому что вы должны сделать очень большие области лазерными, не прерывая работу в других областях», — сказала Виппо. «Это одна из самых больших проблем, с которыми мы сталкиваемся сейчас».

Однако оба участника дискуссии согласились с тем, что одной из основных проблем, с которой сталкивается использование лазеров для обработки материалов в аэрокосмической отрасли, является ознакомление сектора с возможностями этой технологии.

«Лазерные технологии все еще довольно новы для аэрокосмической промышленности», — сказала Виппо. ‘Если вы говорите с людьми из этой отрасли, они все еще мало знают о лазерных технологиях — что возможно и где существуют ограничения. Поэтому было бы полезно, если бы у в отрасли были, например, некоторые курсы или семинары, где  можно было бы узнать, что возможно с лазерами, а также каковы опасности. Я думаю, что это действительно поможет нам внедрить лазер в производственные линии таких компаний, как Airbus и Boeing ».

«Я определенно согласен», — заключил Наим. ‘Я думаю, что самой большой проблемой для нас, когда мы начали выполнять сварку в аэрокосмической отрасли, была образовательная сторона. Действительно, существует потребность в образовании, которое информирует аэрокосмический персонал о конструктивной целостности, которую может предложить сварка, и о преимуществах применения лазерной технологии, способной выполнять эти сварные швы на их производственной линии ».

Источник: https://www.lasersystemseurope.com/analysis-opinion/lightening-load