Nos últimos anos, o mundo aeroespacial – incluindo aeronaves comerciais e militares, satélites, espaçonaves, drones e veículos aéreos não tripulados (UAVs) – passou por algumas mudanças dramáticas. Mais e mais empresas estão se juntando à corrida espacial, muitas das quais exigem tecnologias de fabricação inovadoras.
Em contraste, o impacto das restrições de viagens na aviação comercial causadas pela nova epidemia da coroa fez com que a taxa de produção de aeronaves civis caísse em um terço.
Em 2019, a Europa foi um dos líderes mundiais na produção de aeronaves civis e helicópteros, incluindo vários componentes e motores de aeronaves, suportando cerca de 400,000 empregos e gerando receitas de 130 mil milhões de euros. Embora a exploração espacial e a defesa tenham permanecido praticamente inalteradas pela pandemia, a produção de aeronaves civis ainda está se recuperando.
No "Uncertainty in Commercial Aerospace" (Incerteza no Aeroespaço Comercial), publicado em fevereiro de 2023, a McKinsey, conhecida empresa de consultoria e pesquisa, informou que o mundo precisa digerir a construção de 9.400 aeronaves de passageiros (principalmente jatos de fuselagem estreita ) até o final de 2027. aeronaves) backlog. Mas há incerteza sobre o crescimento futuro do tráfego aéreo de passageiros, a saúde das cadeias de suprimentos e a força de trabalho. Como resultado, os fabricantes precisam aumentar a eficiência e a flexibilidade da produção para lidar com atrasos e responder a futuras mudanças na demanda.
A capacidade do processamento a laser de aumentar a produtividade e manter os custos baixos pode desempenhar um papel fundamental para possibilitar essa resposta da indústria aeroespacial. O processamento a laser - operações na forma de corte, soldagem, martelamento e perfuração - tornou-se parte integrante da fabricação aeroespacial.
Por exemplo, os lasers são usados para fazer abas para asas de aeronaves, fixadores de asas, peças de motores a jato e peças de assentos, e também são usados para consertar turbinas, limpar ou remover tinta de peças e preparar peças para processamento posterior. superfície da peça. Nos últimos anos, a fabricação aditiva a laser (AM) também cresceu em popularidade em voos espaciais. Além disso, o mercado espera melhorar a rastreabilidade de componentes aeroespaciais, e os requisitos para marcação a laser também estão aumentando.
Corte e solda a laser
O corte a laser é um processo rápido, econômico e preciso usado para atender aos exigentes requisitos de fabricação do setor aeroespacial.
Comparado com o processamento tradicional, o corte a laser tem alta precisão, menos desperdício de material, velocidade de processamento rápida, baixo custo e menos manutenção do equipamento. Além disso, maximiza a produtividade, pois torna as alterações necessárias na usinagem rápidas e fáceis.
Os lasers podem ser usados para produzir peças de fixação de asas, peças de gabarito, peças de efetor final, peças de ferramentas e muito mais. É igualmente adequado para componentes pequenos, como juntas de óleo enxertadas e coletores de dutos de sangria de titânio, bem como componentes maiores, como cones de exaustão. Ela pode usinar uma ampla variedade de materiais aeroespaciais, incluindo alumínio, Hastelloy (níquel que foi ligado a elementos como molibdênio e cromo), Inconel, Nitinol, Nitinol, aço inoxidável, tântalo e titânio.
A soldagem a laser também é usada no setor aeroespacial como uma alternativa aos métodos tradicionais de união, como colagem adesiva e fixação mecânica. Por exemplo, o uso de soldagem a laser de ligas leves de alumínio e polímeros reforçados com fibra de carbono (CFRP) na construção de aeronaves está ganhando força e sendo usado para substituir a rebitagem sempre que possível. Técnicas como a soldagem por tecelagem a laser também foram bem-sucedidas na união de tanques de combustível, melhorando a eficiência e a resistência das juntas, reduzindo o retrabalho e economizando muito dinheiro. Outros sucessos de soldagem no setor aeroespacial incluem unir o núcleo fundido de uma pá de turbina à placa de cobertura; e criando um novo tipo de aba de asa leve que aumenta o controle de fluxo laminar, minimiza o arrasto e otimiza a eficiência de combustível.
A soldagem a laser tem o potencial de economizar custos, reduzir o peso dos componentes e melhorar a qualidade da solda em comparação com os métodos tradicionais, e vários fabricantes estão considerando atualmente a soldagem a laser para a produção de peças de fuselagem.
Llimpeza aser
Os fabricantes do setor aeroespacial usam a limpeza a laser para remover camadas de metal e superfícies compostas em preparação para usinagem, para remover revestimentos ou corrosão e para remover tinta de grandes componentes ou aeronaves inteiras antes da repintura.
Durante o processo de limpeza, o laser é absorvido e evaporado pela superfície do metal, obtendo assim a ablação do material da superfície, tendo pouco efeito no material da camada interna e não causando danos térmicos acidentais aos componentes. Lasers de fibra pulsada na classe quilowatt são particularmente adequados para limpeza rápida a laser - eles permitem limpeza eficiente e de alta precisão de uma ampla variedade de materiais, incluindo cerâmica, compósitos, metais e plásticos.
Nos últimos anos, o uso de materiais compósitos em aeronaves aumentou, assim como a necessidade de unir metais a materiais compósitos. Na fabricação aeroespacial, os adesivos podem ser usados para unir esses dois materiais diferentes. Para criar uma união forte, as duas superfícies devem ser cuidadosamente preparadas antes da aplicação do adesivo.
A limpeza a laser é ideal porque cria um acabamento de superfície reproduzível e altamente controlado que permite uma colagem consistente e previsível. Tradicionalmente, isso seria feito por meio de técnicas de detonação destrutivas ou aplicação de diversos produtos químicos. No entanto, a limpeza a laser agora oferece um método de uma etapa que não é apenas mais econômico e produtivo, mas também tem menor impacto ambiental, pois não são necessários produtos químicos tóxicos ou materiais de detonação. A limpeza a laser também é muito mais suave nas peças do que os métodos tradicionais.
Limpeza a laser de peças metálicas e compostas de aeronavestambém é mais benéfico do que as técnicas de decapagem química ou jateamento quando se trata de decapagem de tinta. Durante sua vida útil, uma aeronave pode ser repintada 4-5 vezes e pode levar uma semana ou mais para remover a tinta de toda a aeronave usando técnicas tradicionais. Já a limpeza a laser pode reduzir esse tempo para 3-4 dias, dependendo do tamanho da aeronave, além de tornar as peças mais acessíveis aos trabalhadores. Além disso, quando usado para remoção de tinta em vez de decapagem química ou jateamento, a limpeza a laser oferece economia significativa de custos - milhares de libras por aeronave, pois os resíduos perigosos são reduzidos em cerca de 90% ou mais e os requisitos de manuseio de materiais são reduzidos.
Peening a laser/laser shock peening
As tensões nos componentes de metal podem levar à falha por fadiga de metal em componentes de aeronaves, como pás de ventiladores em motores a jato, o que tem o potencial de causar danos ou ferimentos. Isso pode ser mitigado com uma técnica conhecida como laser peening.
Nesse processo, pulsos de luz laser são direcionados para uma área de concentração de alta tensão e cada pulso acende uma pequena explosão de plasma entre a superfície do componente e uma camada de água borrifada por cima. A camada de água confina a explosão, o que faz com que a onda de choque penetre no componente e gere tensões residuais compressivas à medida que sua área de propagação se expande. Essas tensões neutralizam rachaduras e outras formas de fadiga do metal. Em comparação com os processos tradicionais, o reforço a laser pode prolongar a vida útil das peças metálicas em 10-15 vezes.
Peening a laser é cada vez mais utilizado na indústria aeroespacial. Por exemplo, a LSP Technologies e a Airbus desenvolveram em conjunto um sistema portátil de perfuração a laser que foi recentemente testado e avaliado nas instalações de manutenção e reparo da Airbus em Toulouse, França.
O sistema de jateamento a laser Leopard prolongará a vida útil da fadiga ao inibir o início e a propagação de trincas causadas por tensão de vibração cíclica. A flexibilidade da entrega do feixe de fibra ótica e as ferramentas personalizadas permitem que o sistema ilumine a laser áreas de difícil acesso para aeronaves. De acordo com os parceiros, o sistema é um avanço na tecnologia de fortalecimento a laser que avançará seu uso, inclusive estendendo a vida útil das pás do motor a jato e muito mais.
O Fleet Readiness Center East (FRCE) da Marinha dos EUA também concluiu recentemente a validação de um processo de choque a laser usado com sucesso na aeronave F-35B Lightning II. A FRCE usou o processo para fortalecer a estrutura do F-35B Lightning II sem adicionar qualquer material ou peso adicional que, de outra forma, limitaria suas capacidades de combustível ou transporte de armas. Isso ajuda a prolongar a expectativa de vida dos caças de quinta geração, as variantes de pouso e decolagem curtas usadas pelo Corpo de Fuzileiros Navais dos EUA.
Lperfuração a laser
Os motores aeronáuticos modernos têm cerca de 500,000 buracos, cerca de 100 vezes mais que os motores construídos na década de 1980. Ao mesmo tempo, os fabricantes de aeronaves estão produzindo um número crescente de outros componentes que apresentam um grande número de furos para rebitagem e aparafusamento. Portanto, no campo aeroespacial, a perfuração a laser tem um enorme potencial de mercado, pois fornece um processo preciso, repetível, rápido e econômico.
Por exemplo, novos sistemas de laser de femtosegundo de alta potência estão sendo desenvolvidos para microperfuração eficiente e precisa de grandes painéis de titânio HLFC (Hybrid Laminar Flow Control) a serem montados em estabilizadores de asa ou empenagem. Esses painéis aspiram o ar através de pequenos orifícios, o que reduz o atrito e o consumo de combustível.
Como a perfuração a laser é sem contato, o material a ser usinado não precisa ser fixado da mesma forma que nas ferramentas convencionais. Outra vantagem de ser sem contato é a ausência de desgaste da ferramenta, o que representa uma vantagem particular nas operações de furação de componentes de CFRP. Devido à sua dureza, os componentes CFRP podem ser muito abrasivos para ferramentas convencionais. A perfuração a laser também pode ser realizada em velocidades muito altas para que danos excessivos causados pelo calor não prejudiquem o material que está sendo processado.
Afabricação aditiva
A manufatura aditiva a laser (AM) também se desenvolveu rapidamente na indústria aeroespacial. Nesta técnica, os lasers derretem camadas sucessivas de pó para construir formas. Uma empresa de foguetes com sede na Califórnia encomendou recentemente duas 12-impressoras 3D de feixe de laser para tornar suas missões espaciais mais econômicas e eficientes, criando componentes espaciais mais leves, rápidos e fortes.
Enquanto muitos projetos ainda estão em fase de testes, a manufatura aditiva a laser já foi utilizada com sucesso em duas missões a Marte. O rover Curiosity da NASA, que pousou em agosto de 2012, foi a primeira missão a trazer peças impressas em 3D para Marte. Este é um componente cerâmico dentro do instrumento Sample Analysis at Mars (SAM), parte de um programa de testes em andamento para investigar a confiabilidade das técnicas de manufatura aditiva.
Enquanto isso, o rover Perseverance da NASA, que pousou em Marte em fevereiro de 2021, contém 11 peças de metal que foram fabricadas aditivamente com lasers. Cinco desses componentes estão no Instrumento Planetário Perseverance para Litoquímica de Raios-X (PIXL), que está procurando por sinais de vida microbiana fóssil em Marte. Essas peças precisam ser tão leves que as técnicas tradicionais, como forjamento, moldagem e corte, não possam produzi-las.
A NASA também tem experimentado a fabricação aditiva a laser de componentes de foguetes. Em um estudo, a câmara de combustão de um motor de foguete foi fabricada com uma liga de cobre. O desenvolvimento contínuo dessa manufatura aditiva a laser resultou na fabricação da peça por aproximadamente metade do custo e em um sexto do tempo necessário para usinagem, união e montagem tradicionais. Como a liga de cobre usada é altamente reflexiva para os lasers infravermelhos, a NASA está investigando como os lasers verdes ou azuis podem melhorar a eficiência e a produtividade.
Embora o uso de manufatura aditiva no setor aeroespacial ainda esteja em seus estágios iniciais, espera-se que cresça nos próximos 20 anos.
Texturização a laser
A texturização a laser também é uma aplicação muito nova na indústria aeroespacial. Nesse processo, lasers ultrarrápidos são usados para criar micronanoestruturas na superfície da aeronave por meio de uma técnica chamada de padrão de interferência direta a laser (DLIP), que é usada para criar um "efeito lótus" natural, que cria nanoestruturas que ajudam a evitar que a superfície contaminação e evitar o acúmulo de gelo nas aeronaves.
A ótica inovadora divide um poderoso pulso de laser ultrarrápido em vários feixes parciais, que são então combinados na superfície a ser processada. Quando vista ao microscópio, a microestrutura resultante se assemelha a "salões" microscópicos feitos de "pilares" ou ondulações. A distância entre os "pilares" é de cerca de 150nm a 30μm - essa estrutura significa que as gotas de água não podem mais molhar a superfície e grudar nela porque não têm aderência suficiente na superfície.
Os benefícios do material para aeronaves incluem maior repelência à água, gelo e insetos. Estes podem aderir à superfície da aeronave e aumentar a resistência ao vento da aeronave, aumentando assim o consumo de combustível. A aplicação dessa texturização a laser reduziria a necessidade de tratamentos químicos tóxicos atualmente aplicados às superfícies das aeronaves para evitar o congelamento. Sabe-se que envelhece e se torna propenso a danos ao longo do tempo. Além disso, as estruturas a laser produzidas com o método DLIP podem durar anos sem causar problemas ambientais.
