In den letzten Jahren hat der Luft- und Raumfahrtsektor – darunter Verkehrs- und Militärflugzeuge, Satelliten, Raumfahrzeuge, Drohnen und unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) – einige tiefgreifende Veränderungen erfahren. Eine wachsende Zahl von Unternehmen hat sich dem Weltraumwettlauf angeschlossen, von denen viele innovative Fertigungstechnologien benötigen.
Im Gegensatz dazu haben die Auswirkungen der pandemiebedingten Reisebeschränkungen auf die kommerzielle Luftfahrt zu einem Rückgang der Produktionsraten für Zivilflugzeuge um ein Drittel geführt.
Im Jahr 2019 war Europa einer der weltweit führenden Hersteller von Zivilflugzeugen und Hubschraubern (einschließlich verschiedener Komponenten und Flugzeugtriebwerke), bot rund 400000 Arbeitsplätze und erwirtschaftete einen Umsatz von 130 Milliarden Euro. Während die Weltraumforschung und -verteidigung von der New-Crown-Pandemie weitgehend verschont bleiben, befinden sich die Produktion und Herstellung von Zivilflugzeugen noch in der Erholungsphase.
In seiner Veröffentlichung „Uncertainty in Commercial Aerospace“ vom Februar 2023 berichtet das führende Beratungs- und Forschungsunternehmen McKinsey, dass die Welt bis Ende 2027 einen Auftragsrückstand für den Bau von 9.400 Passagierflugzeugen (hauptsächlich Schmalrumpfflugzeuge) auffangen muss. Es besteht jedoch Unsicherheit über das zukünftige Wachstum des Fluggastverkehrs, der Lieferkette und der Solidität der Belegschaft. Daher müssen Hersteller ihre Produktivität und Flexibilität verbessern, um den Rückstand zu bewältigen und auf zukünftige Nachfrageänderungen reagieren zu können.
Die Fähigkeit der Laserbearbeitung, die Produktivität zu steigern und die Kosten niedrig zu halten, könnte eine Schlüsselrolle dabei spielen, diese Reaktion in der Luft- und Raumfahrtindustrie zu ermöglichen. Die Laserbearbeitung – in Form von Schneid-, Schweiß-, Kugelstrahl- und Bohrvorgängen – ist zu einem integralen Bestandteil der Luft- und Raumfahrtfertigung geworden.
Beispielsweise werden Laser zur Herstellung von Flügelklappen, Flügelbefestigungen, Triebwerkskomponenten und Sitzteilen von Flugzeugen eingesetzt, aber auch zur Reparatur von Turbinen, zum Reinigen oder Entlacken von Teilen und zur Vorbereitung von Bauteiloberflächen für die Weiterverarbeitung. In den letzten Jahren erfreut sich die laseradditive Fertigung (AM) auch im Luft- und Raumfahrtbereich immer größerer Beliebtheit. Darüber hinaus möchte der Markt die Rückverfolgbarkeit von Luft- und Raumfahrtkomponenten verbessern und damit steigt die Nachfrage nach Lasermarkierungen.
Laserschneiden und Schweißen
Laserschneiden ist ein schnelles, kostengünstiges und präzises Verfahren, mit dem die anspruchsvollen Fertigungsanforderungen der Luft- und Raumfahrtbranche erfüllt werden können.
Im Vergleich zur herkömmlichen Bearbeitung bietet das Laserschneiden eine hohe Genauigkeit, weniger Materialverschwendung, schnellere Bearbeitungsgeschwindigkeiten, geringere Kosten und weniger Gerätewartung. Darüber hinaus kann die Produktivität maximiert werden, da notwendige Änderungen am Prozess schnell und einfach vorgenommen werden können.
Der Laser kann zur Herstellung von Flügelbefestigungsteilen, Vorrichtungsteilen, Endeffektorteilen, Werkzeugteilen usw. verwendet werden. Er eignet sich gleichermaßen für kleine Teile wie Pfropföldichtungen und Steuerrohrverteiler aus Titan sowie für größere Teile wie z als Abgaskegel. Es kann eine Vielzahl von Luft- und Raumfahrtmaterialien verarbeiten, darunter Aluminium, Hastelloy (Nickel, das mit Elementen wie Molybdän und Chrom legiert wurde), Inconel, Nitinol, Nitinol, Edelstahl, Tantal und Titan.
Auch in der Luft- und Raumfahrt wird das Laserschweißen als Alternative zu herkömmlichen Fügeverfahren wie Kleben und mechanischer Befestigung eingesetzt. Beispielsweise wird der Einsatz des Laserschweißens von leichten Aluminiumlegierungen und kohlenstofffaserverstärkten Polymeren (CFK) im Flugzeugbau zunehmend geschätzt und wo immer möglich als Ersatz für Nietverbindungen eingesetzt. Technologien wie das Laserschwenkschweißen haben sich auch bei Kraftstofftankverbindungen bewährt, da sie die Effizienz und Festigkeit der Verbindung verbessern, Nacharbeiten reduzieren und erhebliche Kosteneinsparungen ermöglichen. Weitere Schweißerfolge in der Luft- und Raumfahrt umfassen die Befestigung von Gusskernen von Turbinenschaufeln an Abdeckungen; und die Schaffung neuer Arten leichter Flügelklappen, die die laminare Strömungskontrolle verbessern, den Luftwiderstand minimieren und die Treibstoffeffizienz optimieren.
Aufgrund des Potenzials für Kosteneinsparungen, eine Reduzierung des Bauteilgewichts und eine verbesserte Schweißqualität im Vergleich zu herkömmlichen Methoden ziehen mehrere Hersteller auf dem Markt bereits das Laserschweißen von Flugzeugzellenteilen in Betracht.
Laserreinigung
Hersteller im Luft- und Raumfahrtsektor nutzen die Laserreinigung zum Entfernen von Schichten von Metall- und Verbundoberflächen zur Vorbereitung der Bearbeitung, zum Entfernen von Beschichtungen oder Korrosion sowie zum Entfernen von Farbe von großen Teilen oder ganzen Flugzeugen vor der Neulackierung.
Während des Reinigungsprozesses wird das Laserlicht von der Oberflächenschicht aus Metall absorbiert und verdampft, was zu einer Ablation des Oberflächenmaterials führt, ohne dass die Innenschicht kaum oder gar nicht beeinträchtigt wird und keine thermischen Kollateralschäden an der Komponente entstehen. Gepulste Faserlaser der Kilowattklasse eignen sich besonders gut für die schnelle Laserreinigung – sie können ein breites Spektrum an Materialien, darunter Keramik, Verbundwerkstoffe, Metalle und Kunststoffe, mit hoher Effizienz und Präzision reinigen.
Der Einsatz von Verbundwerkstoffen in Flugzeugen hat in den letzten Jahren zugenommen und damit auch die Notwendigkeit, Metalle mit Verbundwerkstoffen zu verbinden. In der Luft- und Raumfahrtfertigung können Klebstoffe verwendet werden, um diese beiden unterschiedlichen Materialien zu verbinden. Um eine starke Verbindung herzustellen, müssen die beiden Oberflächen vor dem Auftragen des Klebstoffs sorgfältig für die Verarbeitung vorbereitet werden.
Die Laserreinigung ist die ideale Option, da sie einen sehr genau kontrollierten, reproduzierbaren Oberflächeneffekt erzeugt, der eine konsistente, vorhersehbare Verbindung ermöglicht. Traditionell wurde dies durch zerstörerische Sprengtechniken oder den Einsatz verschiedener Chemikalien erreicht. Allerdings bietet die Laserreinigung jetzt einen einstufigen Ansatz, der nicht nur kostengünstiger und produktiver ist, sondern auch eine viel geringere Umweltbelastung hat, da keine giftigen Chemikalien oder Strahlmittel erforderlich sind. Zudem ist die Laserreinigung deutlich teileschonender als herkömmliche Verfahren.
Auch beim Entlacken ist die Laserreinigung von Flugzeugkomponenten aus Metall und Verbundwerkstoffen vorteilhafter als chemische Entlackungs- oder Strahltechniken. Im Laufe seiner Lebensdauer kann ein Flugzeug 4-5 Mal neu lackiert werden, und es kann eine Woche oder länger dauern, bis mit herkömmlichen Techniken der Lack von einem ganzen Flugzeug entfernt ist. Im Gegensatz dazu kann die Laserreinigung diese Zeit je nach Größe des Flugzeugs auf 3-4 Tage verkürzen und ermöglicht den Arbeitern außerdem einen einfacheren Zugang zu den Teilen. Darüber hinaus kann die Laserreinigung, wenn sie zum Entfernen von Farbe anstelle von chemischem Abbeizen oder Strahlen verwendet wird, zu erheblichen Kosteneinsparungen führen – Tausende von Pfund pro Flugzeug –, da gefährliche Abfälle um etwa 90 Prozent oder mehr reduziert werden und die Anforderungen an die Materialhandhabung reduziert werden.
Laserstrahlen/Laserschlagstrahlen
Spannungen in Metallkomponenten können zu Metallermüdungsversagen in Flugzeugkomponenten wie Lüfterblättern in Düsentriebwerken führen, was möglicherweise zu Schäden oder Verletzungen führen kann. Dies kann durch eine Technik namens Laser Peening gemildert werden.
Bei diesem Verfahren werden Laserimpulse auf einen Bereich mit hoher Spannungskonzentration gerichtet und jeder Impuls zündet einen winzigen Plasmastoß zwischen der Bauteiloberfläche und einer darauf aufgesprühten Wasserschicht. Die Wasserschicht begrenzt die Druckwelle, wodurch die Stoßwelle in das Bauteil eindringt und mit zunehmender Ausbreitungsfläche Druckeigenspannungen erzeugt. Diese Spannungen wirken Rissbildung und anderen Formen der Metallermüdung entgegen. Laserstrahlen kann die Lebensdauer von Metallteilen im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren um das 10-15-fache verlängern.
Laserstrahlen wird zunehmend in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt. Beispielsweise haben LSP Technologies und Airbus gemeinsam ein tragbares Laserstrahlsystem entwickelt, das kürzlich in der Wartungs- und Reparaturanlage von Airbus in Toulouse, Frankreich, getestet und bewertet wurde.
Das Leopard-Laserstrahlsystem verlängert die Ermüdungslebensdauer, indem es die Entstehung und Ausbreitung von Rissen verhindert, die durch zyklische Vibrationsbelastungen verursacht werden. Die Flexibilität der faseroptischen Strahlführung und der kundenspezifischen Werkzeugausstattung ermöglicht es dem System, schwer zugängliche Bereiche des Flugzeugs zu lasern. Nach Angaben der Partner stellt das System einen Durchbruch in der Laserstrahltechnologie dar und wird deren Einsatz vorantreiben, unter anderem durch die Verlängerung der Lebensdauer von Triebwerksschaufeln.
Das US Navy Fleet Readiness Center East (FRCE) hat kürzlich auch die Validierung eines Laseraufprallverstärkungsprozesses abgeschlossen, der erfolgreich beim F-35B Lightning II-Flugzeug eingesetzt wurde. FRCE nutzte das Verfahren, um den Rahmen des F-35B Lightning II zu verstärken, ohne zusätzliches Material oder Gewicht hinzuzufügen, das andernfalls seine Treibstoff- oder Waffentragfähigkeit einschränken würde. Dies trägt dazu bei, die Lebenserwartung des Jägers der fünften Generation zu verlängern, der vom US Marine Corps verwendeten Kurzstart- und Landeversion.
Laserbohren
Moderne Flugzeugtriebwerke haben etwa 500 000 Löcher, etwa das Hundertfache der Anzahl der in den 1980er Jahren gebauten Triebwerke. Gleichzeitig produzieren Flugzeughersteller immer mehr andere Bauteile, die über eine Vielzahl von Bohrlöchern für Niet- und Schraubverbindungen verfügen. Das Laserbohren hat daher ein großes Marktpotenzial im Luft- und Raumfahrtsektor, da es einen präzisen, wiederholbaren, schnellen und kosteneffizienten Prozess bietet.
Beispielsweise werden neue Hochleistungs-Femtosekundenlasersysteme für das effiziente und präzise Mikrobohren großer HLFC-Platten (Hybrid Laminar Flow Control) aus Titan entwickelt, die an Flügel- oder Heckstabilisatoren montiert werden. Diese Platten saugen Luft durch kleine Löcher an, wodurch der Reibungswiderstand verringert und der Kraftstoffverbrauch gesenkt wird.
Bildlaser werden zunehmend zum Bohren von CFK-Flugzeugkomponenten eingesetzt
(Bildnachweis: Laser Zentrum Hannover)
Da das Laserbohren berührungslos erfolgt, muss das zu bearbeitende Material nicht wie bei der Bearbeitung mit herkömmlichen Werkzeugen gehalten werden. Ein weiterer Vorteil der Berührungslosigkeit besteht darin, dass kein Werkzeugverschleiß auftritt, was insbesondere beim Bohren von CFK-Bauteilen von Vorteil ist. Aufgrund ihrer Härte können CFK-Bauteile an herkömmlichen Werkzeugen einen sehr hohen Verschleiß verursachen. Das Laserbohren kann auch mit sehr hohen Geschwindigkeiten durchgeführt werden, so dass übermäßige Hitzeschäden das zu bearbeitende Material nicht beschädigen.
Additive Fertigung
Auch in der Luft- und Raumfahrtindustrie gewinnt die laseradditive Fertigung (AM) rasant an Bedeutung. Bei dieser Technik schmilzt ein Laser kontinuierliche Pulverschichten, um Formen zu bilden. Ein in Kalifornien ansässiges Raketenunternehmen hat kürzlich sogar zwei 12-Laserstrahl-3D-Drucker bestellt, um seine Weltraummissionen wirtschaftlicher und effizienter zu gestalten, indem es leichtere, schnellere und stärkere Weltraumkomponenten herstellt.
Während sich viele Projekte noch in der Testphase befinden, wurde die laseradditive Fertigung bereits bei zwei Missionen zum Mars erfolgreich eingesetzt. Der NASA-Rover Curiosity, der im August 2012 landete, war die erste Mission, die 3D-gedruckte Teile zum Mars brachte. Hierbei handelt es sich um eine Keramikkomponente im Instrument „Sample Analysis on Mars“ (SAM), Teil eines laufenden Testprogramms zur Untersuchung der Zuverlässigkeit der additiven Fertigungstechnologie.
Unterdessen enthält der Trailblazer-Rover der NASA, der im Februar 2021 auf dem Mars landet, 11 laseradditiv gefertigte Metallteile. Fünf der Teile befinden sich im Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry (PIXL) von Trail, das nach Anzeichen mikrobiellen fossilen Lebens auf dem Mars sucht. Diese Teile müssen so leicht sein, dass sie mit herkömmlichen Schmiede-, Form- und Schneidtechniken nicht hergestellt werden können.
Die NASA experimentiert auch mit der laseradditiven Fertigung von Raketenkomponenten. In einer Studie wurde die Brennkammer eines Raketentriebwerks aus einer Kupferlegierung hergestellt. Diese Weiterentwicklung der laseradditiven Fertigung hat zu einem Bauteil geführt, das zu etwa der Hälfte der Kosten und einem Sechstel der Zeit hergestellt werden kann, die für herkömmliche Bearbeitung, Verbindung und Montage erforderlich sind. Da die verwendeten Kupferlegierungen Infrarotlaser stark reflektieren, untersucht die NASA nun, wie grüne oder blaue Laser die Effizienz und Produktivität verbessern können.
Während sich der Einsatz der additiven Fertigung in der Luft- und Raumfahrt noch in einem frühen Stadium befindet, wird erwartet, dass er in den nächsten 20 Jahren zunehmen wird.
Laservergrößerung
Auch in der Luft- und Raumfahrtindustrie ist das Lasergrossing eine sehr neue Anwendung. Bei diesem Verfahren werden ultraschnelle Laser verwendet, um Mikro-Nanostrukturen auf Flugzeugoberflächen zu erzeugen. Dabei kommt eine Technik zum Einsatz, die als direkte laserinterferometrische Strukturierung (DLIP) bekannt ist und einen natürlichen „Lotuseffekt“ erzeugt, wodurch Nanostrukturen entstehen, die dazu beitragen, Oberflächenkontamination und Eis zu verhindern Ablagerungen am Flugzeug.
Die innovative Optik spaltet einen leistungsstarken ultraschnellen Laserpuls in mehrere Teilstrahlen auf, die dann auf der zu bearbeitenden Oberfläche zusammengeführt werden. Unter dem Mikroskop betrachtet ähnelt die resultierende Mikrostruktur einer mikroskopischen „Halle“ aus „Säulen“ oder Wellen. Der Abstand zwischen den „Säulen“ liegt zwischen etwa 150 nm und 30 µm – eine Struktur, die dazu führt, dass Wassertropfen die Oberfläche nicht mehr benetzen und daran haften bleiben, weil sie keinen ausreichenden Halt auf der Oberfläche haben.
Zu den Vorteilen dieses Materials für das Flugzeug gehört die erhöhte Abstoßung von Wasser, Eis und Insekten. Diese können an der Oberfläche des Flugzeugs haften bleiben und den Windwiderstand des Flugzeugs erhöhen, wodurch der Treibstoffverbrauch steigt. Durch die Anwendung dieser Lasertextur wird der Bedarf an giftigen chemischen Behandlungen, die derzeit auf Flugzeugoberflächen angewendet werden, um Vereisung zu vermeiden, verringert. Es ist bekannt, dass es mit der Zeit altert und anfällig für Schäden ist. Darüber hinaus können im DLIP-Verfahren hergestellte Laserstrukturen mehrere Jahre halten und verursachen keine Umweltprobleme.
