El sector aeroespacial -incluido el comercial y el de satélites, naves espaciales, drones y vehículos aéreos no tripulados (UAV)- ha experimentado algunos cambios radicales en los últimos años. Cada vez más empresas se suman a la carrera espacial y muchas de ellas necesitan técnicas de fabricación innovadoras.
La capacidad del procesamiento láser para aumentar la productividad y mantener los costos bajos puede desempeñar un papel clave en la realización de esta respuesta de la industria aeroespacial. El procesamiento láser, que realiza operaciones de corte, soldadura, voladura y perforación, se ha convertido en una parte integral de la fabricación aeroespacial.
Por ejemplo, los láseres se utilizan para fabricar flaps, sujetadores de alas, componentes de motores a reacción y piezas de asientos para alas de aviones, así como para reparar turbinas, limpiar o quitar pintura de piezas y preparar superficies de componentes para su posterior procesamiento. En los últimos años, la fabricación aditiva por láser (AM) también ha ganado popularidad en el sector de los vuelos espaciales. Además, el mercado busca mejorar la trazabilidad de los componentes aeroespaciales, y con ello la demanda de marcado láser está aumentando.
Corte y soldadura por láser.
El corte por láser es un proceso rápido, rentable y preciso que puede utilizarse para cumplir con los exigentes requisitos de fabricación del sector aeroespacial.
En comparación con el procesamiento convencional, el corte por láser ofrece alta precisión, menos desperdicio de material, velocidades de procesamiento más rápidas, menores costos y menos mantenimiento de equipos. Además, maximiza la productividad porque es rápido y sencillo realizar los cambios necesarios en el mecanizado.
El láser se puede utilizar para producir piezas de sujetadores de alas, piezas de accesorios, piezas de efector final, piezas de herramientas y más. Es igualmente adecuado para piezas más pequeñas, como juntas de aceite injertadas y colectores de tubo piloto de titanio, así como para piezas más grandes, como conos de escape. Puede procesar una amplia variedad de materiales aeroespaciales, incluido aluminio, Hastelloy (níquel aleado con elementos como molibdeno y cromo), Inconel, Nitinol, Nitinol, acero inoxidable, tantalio y titanio.
La soldadura láser también se utiliza en el sector aeroespacial como alternativa a los métodos de unión tradicionales, como la unión adhesiva y la fijación mecánica. Por ejemplo, el uso de soldadura láser de aleaciones ligeras de aluminio y polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP) en la fabricación de aviones son materiales que están ganando importancia y se están utilizando para sustituir el remachado siempre que sea posible. Técnicas como la soldadura pendular láser también han tenido éxito en la unión de tanques de combustible, mejorando la eficiencia y resistencia de las uniones, reduciendo el retrabajo y proporcionando importantes ahorros de costos. Otros éxitos de la soldadura en el sector aeroespacial incluyen la unión de núcleos fundidos de álabes de turbina a cubiertas; y la creación de nuevos tipos de flaps de ala livianos que aumentan el control del flujo laminar, minimizan la resistencia y optimizan la eficiencia del combustible.
Con el potencial de ahorrar costos, reducir el peso de las piezas y mejorar la calidad de la soldadura con respecto a los métodos tradicionales, varios fabricantes en el mercado hoy en día incluso están comenzando a considerar la soldadura láser para piezas de fuselajes de aviones.
Limpieza láser
Los fabricantes del sector aeroespacial utilizan la limpieza láser para eliminar capas de superficies metálicas y compuestas en preparación para el procesamiento, para eliminar recubrimientos o corrosión y para eliminar pintura de componentes grandes o aviones enteros antes de repintar.
Durante el proceso de limpieza, la luz láser es absorbida y evaporada por las capas superficiales del metal, lo que resulta en la ablación del material de la superficie con poco o ningún efecto en las capas internas y sin daño térmico colateral al componente. Los láseres de fibra pulsada de la categoría de kilovatios son especialmente adecuados para la limpieza rápida con láser: permiten una limpieza eficiente y de alta precisión de una amplia gama de materiales, como cerámica, compuestos, metales y plásticos.
El uso de compuestos en aviones ha aumentado en los últimos años, al igual que la necesidad de unir metales a los compuestos. En la fabricación aeroespacial, se pueden utilizar adhesivos para unir estos dos materiales diferentes y, para crear una unión fuerte, ambas superficies deben prepararse cuidadosamente para el mecanizado antes de aplicar el adhesivo.
La limpieza con láser es la opción ideal, ya que crea un acabado superficial replicable y muy controlado que es capaz de lograr una unión consistente y predecible. Tradicionalmente, esto se lograría mediante técnicas de voladuras destructivas o la aplicación de varios productos químicos. Sin embargo, la limpieza con láser ofrece ahora un enfoque de un solo paso que no sólo es más rentable y productivo, sino que también tiene menos impacto en el medio ambiente, ya que no se requieren productos químicos tóxicos ni materiales explosivos. El impacto de la limpieza láser en las piezas también es mucho más suave que los métodos tradicionales.
La limpieza con láser de piezas metálicas y compuestas de aviones también es más favorable que las técnicas de decapado químico o de granallado cuando se trata de decapado de pintura. Una aeronave se puede volver a pintar 4-5 veces durante su vida útil y puede llevar una semana o más quitar la pintura de una aeronave completa utilizando técnicas tradicionales. Por el contrario, dependiendo del tamaño de la aeronave, la limpieza con láser puede reducir este tiempo a 3-4 días, y también facilita a los trabajadores el acceso a las piezas. Además, cuando se utiliza para eliminar pintura en lugar de decapado químico o granallado, la limpieza con láser puede generar importantes ahorros de costos (miles de libras por avión) debido a una reducción de desechos peligrosos de alrededor del 90 por ciento o más y menores requisitos de manipulación de materiales.
Granallado con láser/granallado por impacto con láser
Las tensiones dentro de los componentes metálicos pueden provocar fallas por fatiga del metal en los componentes de los aviones (como las aspas de los ventiladores de los motores a reacción), lo que tiene el potencial de causar daños o lesiones. Esto se puede mitigar mediante una técnica conocida como granallado con láser.
En este proceso, los pulsos láser se dirigen a un área de alta concentración de tensión y cada pulso enciende una pequeña explosión de plasma entre la superficie del componente y una capa de agua rociada encima. La capa de agua confina la explosión, lo que hace que la onda de choque penetre en el componente y cree tensiones residuales de compresión a medida que se expande su región de propagación. Estas tensiones mejoran la probabilidad de agrietamiento y otras formas de resistencia a la fatiga en los metales. El granallado por láser puede prolongar la vida útil de las piezas metálicas en un factor de 10-15 en comparación con los procesos convencionales.
La voladura con láser se utiliza cada vez más en la industria aeroespacial. Por ejemplo, LSP Technologies y Airbus han desarrollado conjuntamente un sistema portátil de granallado por láser que recientemente fue probado y evaluado en las instalaciones de mantenimiento y reparación de Airbus en Toulouse, Francia.
El sistema de granallado láser Leopard prolongará la vida útil al inhibir la aparición y expansión de grietas causadas por la tensión de vibración cíclica. La flexibilidad de la entrega del haz de fibra óptica y las herramientas personalizadas permiten que el sistema emita láser en áreas que son difíciles de alcanzar para los aviones. Según los socios, el sistema es un gran avance en la tecnología de granallado por láser que permitirá avanzar en su uso, incluida la ampliación de la vida útil de las palas de los motores a reacción, entre otras cosas.
Perforación láser
Los motores de aviación modernos tienen alrededor de 500000 orificios, unas 100 veces más que los motores construidos en los años 1980. Al mismo tiempo, los fabricantes de aviones producen cada vez más componentes con numerosos orificios perforados para uniones remachadas y atornilladas. Por lo tanto, en el sector aeroespacial, la perforación láser tiene un gran potencial de mercado porque ofrece un proceso preciso, repetible, rápido y rentable.
Por ejemplo, se están desarrollando nuevos sistemas láser de femtosegundos de alta potencia para una microperforación eficiente y precisa de grandes paneles HLFC (control de flujo laminar híbrido) de titanio que se montarán en estabilizadores de ala o cola. Estos paneles aspiran aire a través de pequeños orificios, lo que reduce la fricción y el consumo de combustible.
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Los láseres se utilizan cada vez más para perforar agujeros en componentes de aviones CFRP (crédito de la imagen: Hanover Laser Center)
Dado que la perforación con láser se realiza sin contacto, no es necesario fijar el material a procesar de la misma manera que si se procesara con herramientas convencionales. Otra ventaja de no tener contacto es que no se produce desgaste de la herramienta, lo que representa una ventaja particular en el funcionamiento de perforación de componentes CFRP. Debido a su dureza, los componentes de CFRP pueden resultar muy abrasivos para las herramientas convencionales. La perforación con láser también se puede realizar a velocidades muy altas, de modo que el daño excesivo por calor no dañe el material que se está procesando.
Fabricación aditiva
La fabricación aditiva por láser (AM) también está creciendo rápidamente en la industria aeroespacial. En esta técnica, un láser funde capas sucesivas de polvo para crear formas. Una empresa de cohetes con sede en California incluso encargó recientemente dos 12-impresoras 3D de rayo láser para hacer que sus misiones espaciales sean más rentables y eficientes mediante la creación de componentes espaciales más ligeros, más rápidos y más resistentes.
Si bien muchos de estos proyectos aún se encuentran en fase de prueba, la fabricación aditiva por láser ya se ha utilizado con éxito en dos misiones a Marte. El rover Curiosity de la NASA, que aterrizó en agosto de 2012, fue la primera misión a Marte en transportar piezas impresas en 3D. Se trata de un componente cerámico dentro del instrumento Sample Analysis for Mars (SAM), que forma parte de un programa de pruebas en curso para investigar la confiabilidad de la tecnología de fabricación aditiva.
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Cámara de combustión bimetálica construida por la NASA con juntas GRCop-42 L-PBF y revestimiento Nasa HR-1 LP-DED (Crédito de la imagen: NASA)
Mientras tanto, el rover Perseverance de la NASA, que aterrizó en Marte en febrero de 2021, contiene 11 piezas metálicas fabricadas con fabricación aditiva por láser. Cinco de estas partes se encuentran en el Instrumento Planetario para Petroquímica de Rayos X (PIXL) de Perseverance, que busca signos de vida fósil microbiana en Marte. Estas piezas deben ser tan ligeras que no puedan producirse utilizando técnicas tradicionales de forjado, moldeado y corte.
La NASA también ha estado experimentando con el uso de fabricación aditiva por láser para componentes de cohetes. En un estudio, la cámara de combustión de un motor de cohete estaba hecha de una aleación de cobre. Este desarrollo continuo de la fabricación aditiva por láser ha dado como resultado un componente que se puede fabricar a aproximadamente la mitad del coste y en una sexta parte del tiempo necesario para el mecanizado, la unión y el montaje convencionales. Debido a que las aleaciones de cobre utilizadas reflejan altamente los láseres infrarrojos, la NASA ahora está investigando cómo los láseres verdes o azules pueden mejorar la eficiencia y la productividad.
Si bien el uso de la fabricación aditiva en el sector aeroespacial se encuentra actualmente en sus primeras etapas, se espera que crezca en los próximos 20 años.
Recaudación láser
La recaudación por láser también es una aplicación muy nueva en la industria aeroespacial. En este proceso, se utilizan láseres ultrarrápidos para crear micro y nanoestructuras en las superficies de los aviones mediante una técnica conocida como patrón de interferencia láser directa (DLIP), que se utiliza para crear un "efecto loto" natural que crea nanoestructuras que ayudan a prevenir la contaminación de la superficie. así como la acumulación de hielo en el avión.
La innovadora óptica divide un potente pulso láser ultrarrápido en varios haces parciales que luego se combinan en la superficie a procesar. Cuando se observan bajo un microscopio, las microestructuras resultantes se asemejan a "pasillos" microscópicos de "pilares" u ondas. La distancia entre los "pilares" está entre aproximadamente 150 nm y 30 μm; esta estructura significa que las gotas de agua ya no mojan la superficie y se adhieren a ella porque no tienen suficiente agarre en la superficie.
Los beneficios de este material para los aviones incluyen una mayor repulsión del agua, el hielo y los insectos. Estos pueden adherirse a la superficie del avión y aumentar la resistencia al viento del avión, aumentando así el consumo de combustible. La aplicación de esta textura láser reduciría la necesidad de tratamientos químicos tóxicos que actualmente se aplican a las superficies de los aviones para evitar la formación de hielo. Se sabe que envejece con el tiempo y es susceptible a sufrir daños. Además, las estructuras láser producidas con el método DLIP pueden durar años y no causan problemas ambientales.
Inspección láser y regulación de estrés
Además de las funciones anteriores, la combinación de láser y ultrasonido se puede utilizar para la inspección y regulación de tensiones de componentes estructurales metálicos complejos. El uso de la acción del láser pulsado de alta energía en la superficie del objeto a probar, la superficie de los cambios de temperatura locales, lo que hace que el objeto a probar en la capa superficial de expansión térmica, la excitación del ultrasonido, el ultrasonido transportará la superficie del material y la información útil interna, las señales de ultrasonido con un detector para recibir, el procesamiento y análisis de datos del objeto a examinar para determinar la presencia o ausencia de defectos.
Además, debido a que el ultrasonido láser tiene una alta resolución temporal y espacial, puede producir una forma de onda rica, un amplio ancho de banda de ultrasonido, etc., después de cambiar y ajustar los parámetros de excitación del láser, el ultrasonido láser puede estar en las partes de cualquier parte designada. para eliminar toda la tensión de tracción, en el caso de no destruir la integridad de la superficie, sin calentar, la formación de un cierto espesor de capa reforzada por tensión de compresión. También es posible regular el valor de la tensión según el rango de requisitos de diseño, lo que puede optimizar significativamente la resistencia a la fatiga y al agrietamiento de la posición local. Traducido con www.DeepL.com/Translator (versión gratuita)
