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) などの航空宇宙の世界は劇的な変化を遂げています。 宇宙開発競争に参加する企業はますます増えており、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、新型コロナウイルスの流行による民間航空への渡航制限の影響により、民間航空機の生産率は3分の1減少した。
2019 年、ヨーロッパはさまざまな部品や航空機エンジンを含む民間航空機とヘリコプターの生産において世界をリードする国の一つであり、約 400 人の雇用を支え、000 の収益を生み出し、1,300 億ユーロの収益を生み出しました。 宇宙探査と防衛は依然としてパンデミックの影響をほとんど受けていないが、民間航空機の生産は依然として回復している。
著名なコンサルティング・調査会社マッキンゼーは、2023年2月に発表した「商業航空宇宙の不確実性」（Uncertainty in Commercial Aerospace）の中で、世界は9,400機の旅客機（主に狭胴機ジェット機）の建設を消化する必要があると報告した。 ) 2027 年末までに。航空機) バックログ。 しかし、航空旅客数の将来の伸び、サプライチェーンと労働力の健全性については不確実性がある。 その結果、メーカーは生産効率と柔軟性を高めて、バックログを処理し、将来の需要の変化に対応する必要があります。
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、航空宇宙産業の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。 レーザー加工 - 切断、溶接、ピーニング、穴あけなどの作業は、航空宇宙産業の製造に不可欠な部分になっています。
たとえば、レーザーは、航空機の翼のフラップ、翼留め具、ジェット エンジン部品、座席部品の作成に使用され、タービンの修理、部品の洗浄または塗装の除去、さらなる加工のための部品の準備にも使用されます。 部品の表面。 近年、レーザー積層造形 (AM) も宇宙飛行で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、レーザーマーキングの要件も高まっています。
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される、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、レーザー切断は精度が高く、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も少なくて済みます。 さらに、加工に必要な変更を迅速かつ簡単に行えるため、生産性が最大化されます。
レーザーを使用して、翼ファスナー部品、治具部品、エンドエフェクター部品、ツーリング部品などを製造できます。 グラフトオイルガスケットやチタンブリードダクトマニホールドなどの小型コンポーネントだけでなく、排気コーンなどの大型コンポーネント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、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、航空機の構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注目を集めており、可能な限りリベット留めの代わりに使用されています。 レーザーウィービング溶接などの技術は、燃料タンクの接合にも成功しており、接合効率と強度が向上し、やり直しが減り、多額の費用が節約されます。 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プレートに接合することが含まれます。 そして、層流制御を高め、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。
レーザー溶接には、従来の方法と比較してコストを削減し、部品の重量を軽減し、溶接品質を向上させる可能性があり、現在、いくつかのメーカーが機体部品の製造にレーザー溶接を検討しています。
L掃除
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の層を除去したり、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、レーザーは金属表面に吸収され蒸発するため、内層材料にはほとんど影響を与えずに表面材料がアブレーションされ、コンポーネントに偶発的な熱損傷を引き起こすことはありません。 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、さまざまな材料の効率的かつ高精度な洗浄を可能にします。
近年、航空機における複合材料の使用が増加しており、金属と複合材料を接合する必要性も高まっています。 航空宇宙製造では、接着剤を使用してこれら 2 つの異なる材料を接合することができます。 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仕上げを作成し、一貫した予測可能な接着を可能にするため、理想的です。 従来、これは破壊的な爆破技術やいくつかの化学薬品の適用によって行われていました。 しかし、レーザー洗浄は現在、コスト効率と生産性が高いだけでなく、有毒な化学薬品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方法を提供しています。 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また、塗装の剥離に関しては、化学剥離やブラスト技術よりも有益です。 耐用年数の間、航空機は 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から塗料を除去するには 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 日まで短縮でき、作業員が部品にアクセスしやすくなります。 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の大幅なコスト削減が実現します。
レーザーピーニング・レーザーショックピーニング
金属部品内の応力は、ジェット エンジンのファン ブレードなどの航空機部品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で軽減できます。
このプロセスでは、レーザー光のパルスが高応力集中領域に照射され、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プラズマの小さな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。 従来のプロセスと比較して、レーザー強化により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発生と伝播を抑制することで疲労寿命を延ばします。 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、システムは航空機が到達するのが難しい領域をレーザーで照らすことができます。 パートナーらによると、このシステムはレーザー強化技術の画期的なものであり、ジェットエンジンのブレードの寿命延長など、その利用が進むだろう。
米海軍の東部艦隊即応センター（FRCE）も最近、F-35B ライトニング II 航空機で成功裏に使用されたレーザー衝撃ピーニングプロセスの検証を完了しました。 FRCEは、このプロセスを使用して、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 のフレームを強化しました。 これは、米海兵隊が使用する短距離離着陸型の第5世代戦闘機の寿命を延ばすのに役立つ。
Lアサー掘削
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、リベット留めやねじ止め用の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多く製造しています。 したがって、航空宇宙の分野では、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、翼または尾翼安定板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用に、新しい高出力フェムト秒レーザー システムが開発されています。 これらのパネルは小さな穴を通して空気を取り込み、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、従来の工具のよう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、熱による過度のダメージが加工対象の材料に悪影響を与えることはありません。
A積層造形
レーザー積層造形 (AM) も航空宇宙産業で急速に発展しています。 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火星に持ち込む最初のミッションでした。 これは、火星のサンプル分析 (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月に火星に着陸したNASAの探査機パーサヴィアランスには、レーザーで積層造形された11個の金属部品が含まれている。 これらのコンポーネントのうち 5 つは、火星の化石微生物生命の兆候を探索しているパーサヴィアランスの X 線リソケミストリー用惑星装置 (PIXL) に含まれています。 これらの部品は、鍛造、成型、切断などの従来の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 エンジンの燃焼室が銅合金で製造されました。 この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 で部品が製造されるようになりました。 使用されている銅合金は赤外線レーザーに対して反射率が高いため、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。
レーザーテクスチャリング
レーザーテクスチャリングは、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) と呼ば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、表面の汚れを防ぐナノ構造を作成します。汚染を防ぎ、航空機に着氷するのを防ぎます。
革新的な光学系により、強力な超高速レーザー パルスがいくつかの部分ビームに分割され、処理対象の表面上で結合されます。 顕微鏡で見ると、結果として生じる微細構造は、「柱」または波形で作られた微細な「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、水滴が表面に十分なグリップを持たないため、水滴が表面を濡らすことができず、付着することを意味します。
航空機用材料の利点としては、防水性、氷結性、防虫性の向上などが挙げられます。 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リングを適用すると、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、損傷しやすくなる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、環境への懸念を引き起こすことなく何年も使用できます。
