Dalam beberapa tahun terakhir, dunia kedirgantaraan—termasuk pesawat komersial dan militer, satelit, pesawat ruang angkasa, drone, dan kendaraan udara tak berawak (UAV)—telah mengalami beberapa perubahan dramatis. Semakin banyak perusahaan yang bergabung dalam perlombaan luar angkasa, banyak di antaranya membutuhkan teknologi manufaktur yang inovatif.
Sebaliknya, dampak pembatasan perjalanan pada penerbangan komersial yang disebabkan oleh epidemi mahkota baru telah menyebabkan tingkat produksi pesawat sipil turun hingga sepertiganya.
Pada tahun 2019, Eropa adalah salah satu pemimpin dunia dalam produksi pesawat sipil dan helikopter, termasuk berbagai komponen dan mesin pesawat, mendukung sekitar 400,000 pekerjaan dan menghasilkan pendapatan sebesar 130 miliar euro. Sementara eksplorasi dan pertahanan luar angkasa sebagian besar tetap tidak terpengaruh oleh pandemi, produksi pesawat sipil masih dalam pemulihan.
Dalam "Ketidakpastian di Dirgantara Komersial" (Ketidakpastian di Dirgantara Komersial), yang diterbitkan pada Februari 2023, McKinsey, sebuah perusahaan konsultan dan penelitian terkenal, melaporkan bahwa dunia perlu mencerna pembangunan 9.400 pesawat penumpang (terutama jet berbadan sempit ) pada akhir 2027. pesawat) jaminan simpanan. Namun ada ketidakpastian tentang pertumbuhan lalu lintas penumpang udara di masa depan, kesehatan rantai pasokan, dan tenaga kerja. Akibatnya, pabrikan perlu meningkatkan efisiensi dan fleksibilitas produksi untuk menangani backlog dan merespons perubahan permintaan di masa mendatang.
Kemampuan pemrosesan laser untuk meningkatkan produktivitas dan menjaga biaya tetap rendah mungkin memainkan peran kunci dalam mengaktifkan respons ini dari industri kedirgantaraan. Pemrosesan laser - operasi dalam bentuk pemotongan, pengelasan, peening, dan pengeboran - telah menjadi bagian integral dari manufaktur kedirgantaraan.
Misalnya, laser digunakan untuk membuat penutup sayap pesawat, pengencang sayap, bagian mesin jet, dan bagian kursi, dan juga digunakan untuk memperbaiki turbin, membersihkan atau menghilangkan cat dari bagian, dan menyiapkan bagian untuk diproses lebih lanjut. permukaan bagian. Dalam beberapa tahun terakhir, pembuatan aditif laser (AM) juga semakin populer di penerbangan luar angkasa. Selain itu, pasar berharap dapat meningkatkan ketertelusuran komponen kedirgantaraan, dan persyaratan penandaan laser juga meningkat.
Pemotongan dan pengelasan laser
Pemotongan laser adalah proses yang cepat, hemat biaya, dan presisi yang digunakan untuk memenuhi persyaratan produksi yang menuntut di sektor kedirgantaraan.
Dibandingkan dengan pemrosesan tradisional, pemotongan laser memiliki presisi tinggi, limbah material lebih sedikit, kecepatan pemrosesan cepat, biaya rendah, dan perawatan peralatan lebih sedikit. Selain itu, ini memaksimalkan produktivitas karena membuat perubahan yang diperlukan pada pemesinan dengan cepat dan mudah.
Laser dapat digunakan untuk memproduksi bagian pengikat sayap, bagian jig, bagian efektor ujung, bagian perkakas, dan banyak lagi. Ini sama-sama cocok untuk komponen kecil seperti gasket minyak yang dicangkokkan dan manifold saluran pembuangan titanium, serta komponen yang lebih besar seperti kerucut knalpot. Ia dapat mengerjakan berbagai macam bahan kedirgantaraan, termasuk aluminium, Hastelloy (nikel yang telah dicampur dengan unsur-unsur seperti molibdenum dan kromium), Inconel, Nitinol, Nitinol, baja tahan karat, tantalum, dan titanium.
Pengelasan laser juga digunakan di ruang angkasa sebagai alternatif metode penyambungan tradisional seperti ikatan perekat dan pengikatan mekanis. Misalnya, penggunaan las laser dari paduan aluminium ringan dan polimer yang diperkuat serat karbon (CFRP) dalam konstruksi pesawat terbang mendapatkan daya tarik dan digunakan untuk menggantikan riveting jika memungkinkan. Teknik seperti pengelasan tenun laser juga berhasil menyambung tangki bahan bakar, meningkatkan efisiensi dan kekuatan sambungan, mengurangi pengerjaan ulang, dan menghemat banyak uang. Keberhasilan pengelasan lainnya di ruang angkasa termasuk menggabungkan inti tuang bilah turbin ke pelat penutup; dan menciptakan sayap sayap ringan jenis baru yang meningkatkan kontrol aliran laminar, meminimalkan tarikan, dan mengoptimalkan efisiensi bahan bakar.
Pengelasan laser memiliki potensi untuk menghemat biaya, mengurangi bobot komponen, dan meningkatkan kualitas pengelasan dibandingkan dengan metode tradisional, dan beberapa pabrikan saat ini sedang mempertimbangkan pengelasan laser untuk produksi suku cadang badan pesawat.
Lpembersihan aser
Pabrikan di sektor kedirgantaraan menggunakan pembersihan laser untuk menghilangkan lapisan permukaan logam dan komposit dalam persiapan pemesinan, untuk menghilangkan lapisan atau korosi, dan untuk menghilangkan cat dari komponen besar atau seluruh pesawat sebelum pengecatan ulang.
Selama proses pembersihan, laser diserap dan diuapkan oleh permukaan logam, sehingga mencapai ablasi bahan permukaan, namun memiliki sedikit efek pada bahan lapisan dalam, dan tidak akan menyebabkan kerusakan termal insidental pada komponen. Laser serat berdenyut dalam kelas kilowatt sangat cocok untuk pembersihan laser cepat - memungkinkan pembersihan yang efisien dan presisi tinggi dari berbagai bahan termasuk keramik, komposit, logam, dan plastik.
Dalam beberapa tahun terakhir, penggunaan material komposit di pesawat terbang telah meningkat, sehingga kebutuhan untuk menggabungkan logam menjadi material komposit. Dalam manufaktur kedirgantaraan, perekat dapat digunakan untuk menggabungkan dua bahan yang berbeda ini. Untuk membuat ikatan yang kuat, kedua permukaan harus disiapkan dengan hati-hati sebelum perekat diterapkan.
Pembersihan laser sangat ideal karena menciptakan lapisan akhir permukaan yang sangat terkontrol dan dapat direproduksi yang memungkinkan ikatan yang konsisten dan dapat diprediksi. Secara tradisional, ini akan dilakukan melalui teknik peledakan yang merusak atau penerapan beberapa bahan kimia. Namun, pembersihan laser sekarang menawarkan metode satu langkah yang tidak hanya lebih hemat biaya dan produktif tetapi juga memiliki dampak lingkungan yang lebih rendah karena tidak diperlukan bahan kimia beracun atau bahan peledak. Pembersihan laser juga jauh lebih lembut pada bagian-bagian daripada metode tradisional.
Pembersihan laser bagian pesawat logam dan kompositjuga lebih bermanfaat daripada teknik pengupasan atau peledakan kimia dalam hal pengupasan cat. Selama masa pakainya, sebuah pesawat mungkin dicat ulang 4-5 kali, dan mungkin diperlukan waktu seminggu atau lebih untuk menghilangkan cat dari seluruh pesawat menggunakan teknik tradisional. Sebaliknya, pembersihan laser dapat mengurangi waktu ini menjadi 3-4 hari, bergantung pada ukuran pesawat, dan juga membuat suku cadang lebih mudah diakses oleh pekerja. Selain itu, bila digunakan untuk penghilangan cat daripada pengupasan atau peledakan bahan kimia, pembersihan laser menawarkan penghematan biaya yang signifikan – ribuan pound per pesawat, karena limbah berbahaya berkurang sekitar 90 persen atau lebih dan persyaratan penanganan material berkurang.
Peening laser/peening kejut laser
Tegangan pada komponen logam dapat menyebabkan kegagalan kelelahan logam pada komponen pesawat seperti bilah kipas pada mesin jet, yang berpotensi menyebabkan kerusakan atau cedera. Ini dapat dikurangi dengan teknik yang dikenal sebagai laser peening.
Dalam proses ini, pulsa sinar laser diarahkan ke area dengan konsentrasi tegangan tinggi, dan setiap pulsa memicu ledakan kecil plasma antara permukaan komponen dan lapisan air yang disemprotkan di atasnya. Lapisan air membatasi ledakan, yang menyebabkan gelombang kejut menembus komponen dan menghasilkan tegangan sisa tekan saat area perambatannya meluas. Tekanan ini menangkal retak dan bentuk kelelahan logam lainnya. Dibandingkan dengan proses tradisional, penguatan laser dapat memperpanjang masa pakai komponen logam sebanyak 10-15 kali.
Peening laser semakin banyak digunakan dalam industri kedirgantaraan. Misalnya, LSP Technologies dan Airbus telah bersama-sama mengembangkan sistem peening laser portabel yang baru-baru ini diuji dan dievaluasi di fasilitas pemeliharaan dan perbaikan Airbus di Toulouse, Prancis.
Sistem peening laser Leopard akan memperpanjang usia kelelahan dengan menghambat inisiasi dan penyebaran retakan yang disebabkan oleh tekanan getaran siklik. Fleksibilitas pengiriman sinar serat optik dan alat khusus memungkinkan sistem menerangi area yang sulit dijangkau pesawat dengan laser. Menurut para mitra, sistem tersebut merupakan terobosan dalam teknologi penguatan laser yang akan memajukan penggunaannya, termasuk memperpanjang umur bilah mesin jet dan banyak lagi.
Fleet Readiness Center East (FRCE) Angkatan Laut AS juga baru saja menyelesaikan validasi proses laser shock peening yang telah berhasil digunakan pada pesawat F-35B Lightning II. FRCE menggunakan proses tersebut untuk memperkuat rangka F-35B Lightning II tanpa menambahkan material atau bobot tambahan apa pun yang akan membatasi kemampuan pembawa bahan bakar atau senjatanya. Ini membantu memperpanjang harapan hidup jet tempur generasi kelima, varian short-take-off dan landing yang digunakan oleh Korps Marinir AS.
Lpengeboran aser
Mesin aero modern memiliki sekitar 500,000 lubang, sekitar 100 kali lebih banyak dari mesin yang dibuat pada tahun 1980-an. Pada saat yang sama, pabrikan pesawat memproduksi semakin banyak komponen lain yang menampilkan sejumlah besar lubang bor untuk memukau dan menyekrup. Oleh karena itu, di bidang kedirgantaraan, pengeboran laser memiliki potensi pasar yang sangat besar, karena memberikan proses yang tepat, berulang, cepat, dan hemat biaya.
Misalnya, sistem laser femtosecond berdaya tinggi baru sedang dikembangkan untuk pengeboran mikro yang efisien dan presisi dari panel HLFC (Hybrid Laminar Flow Control) titanium besar untuk dipasang pada penstabil sayap atau empennage. Panel ini menarik udara melalui lubang kecil, yang mengurangi hambatan gesekan dan mengurangi konsumsi bahan bakar.
Karena pengeboran laser tidak bersentuhan, material yang dikerjakan tidak perlu diperbaiki dengan cara yang sama seperti dengan alat konvensional. Keuntungan lain dari nirsentuh adalah tidak adanya keausan alat, yang merupakan keuntungan khusus dalam operasi pengeboran untuk komponen CFRP. Karena kekerasannya, komponen CFRP dapat menjadi sangat abrasif terhadap perkakas konvensional. Pengeboran laser juga dapat dilakukan dengan kecepatan yang sangat tinggi sehingga kerusakan yang berlebihan akibat panas tidak merusak material yang sedang diproses.
Amanufaktur aditif
Manufaktur aditif laser (AM) juga telah berkembang pesat di industri kedirgantaraan. Dalam teknik ini, laser melelehkan lapisan bubuk yang berurutan untuk membentuk bentuk. Sebuah perusahaan roket yang berbasis di California baru-baru ini bahkan memesan dua 12-printer 3D sinar laser untuk membuat misi luar angkasanya lebih ekonomis dan efisien dengan menciptakan komponen luar angkasa yang lebih ringan, lebih cepat, dan lebih kuat.
Sementara banyak proyek masih dalam tahap pengujian, pembuatan aditif laser telah berhasil digunakan pada dua misi ke Mars. Penjelajah Curiosity NASA, yang mendarat pada Agustus 2012, adalah misi pertama yang membawa komponen cetakan 3D ke Mars. Ini adalah komponen keramik di dalam instrumen Sample Analysis at Mars (SAM), bagian dari program pengujian berkelanjutan untuk menyelidiki keandalan teknik manufaktur aditif.
Sementara itu, penjelajah Ketekunan NASA, yang mendarat di Mars pada Februari 2021, berisi 11 bagian logam yang diproduksi secara aditif dengan laser. Lima komponen ini ada di Instrumen Planet Ketekunan untuk Litokimia Sinar-X (PIXL), yang mencari tanda-tanda fosil kehidupan mikroba di Mars. Bagian-bagian ini harus sangat ringan sehingga teknik tradisional seperti penempaan, pencetakan, dan pemotongan tidak dapat menghasilkannya.
NASA juga telah bereksperimen dengan pembuatan aditif laser untuk komponen roket. Dalam sebuah penelitian, ruang bakar mesin roket dibuat dari paduan tembaga. Pengembangan berkelanjutan dari pembuatan aditif laser ini telah menghasilkan bagian yang diproduksi kira-kira setengah biaya dan dalam seperenam waktu yang diperlukan untuk pemesinan, penyambungan, dan perakitan tradisional. Karena paduan tembaga yang digunakan sangat reflektif terhadap laser inframerah, NASA sekarang menyelidiki bagaimana laser hijau atau biru dapat meningkatkan efisiensi dan produktivitas.
Sementara penggunaan manufaktur aditif di ruang angkasa masih dalam tahap awal, diperkirakan akan tumbuh selama 20 tahun ke depan.
tekstur laser
Tekstur laser juga merupakan aplikasi yang sangat baru di industri kedirgantaraan. Dalam proses ini, laser ultrafast digunakan untuk membuat struktur mikro-nano di permukaan pesawat melalui teknik yang disebut pola interferensi laser langsung (DLIP), yang digunakan untuk menciptakan "efek teratai" alami, yang menciptakan struktur nano yang membantu mencegah kerusakan permukaan. kontaminasi dan mencegah penumpukan es di pesawat.
Optik inovatif membagi pulsa laser ultra cepat yang kuat menjadi beberapa sinar parsial, yang kemudian digabungkan di permukaan untuk diproses. Jika dilihat di bawah mikroskop, struktur mikro yang dihasilkan menyerupai "aula" mikroskopis yang terbuat dari "pilar" atau gelombang. Jarak antara "pilar" adalah sekitar 150nm hingga 30μm - struktur ini berarti tetesan air tidak dapat lagi membasahi permukaan dan menempel padanya karena tidak memiliki cengkeraman yang cukup pada permukaan.
Manfaat material untuk pesawat terbang termasuk peningkatan air, es, dan penolak serangga. Ini dapat menempel pada permukaan pesawat dan meningkatkan hambatan angin pesawat, sehingga meningkatkan konsumsi bahan bakar. Menerapkan tekstur laser ini akan mengurangi kebutuhan akan perawatan kimia beracun yang saat ini diterapkan pada permukaan pesawat untuk menghindari lapisan es. Itu diketahui menua dan menjadi rentan terhadap kerusakan seiring waktu. Selain itu, struktur laser yang diproduksi dengan metode DLIP dapat bertahan selama bertahun-tahun tanpa menimbulkan masalah lingkungan.
