एयरोस्पेस विनिर्माण में लेजर अनुप्रयोग

हाल के वर्षों में, एयरोस्पेस की दुनिया - जिसमें वाणिज्यिक और सैन्य विमान, उपग्रह, अंतरिक्ष यान, ड्रोन और मानव रहित हवाई वाहन (यूएवी) शामिल हैं - में कुछ नाटकीय बदलाव आए हैं। अधिक से अधिक कंपनियाँ अंतरिक्ष की दौड़ में शामिल हो रही हैं, जिनमें से कई को नवीन विनिर्माण प्रौद्योगिकियों की आवश्यकता है।

इसके विपरीत, नए मुकुट महामारी के कारण वाणिज्यिक विमानन पर यात्रा प्रतिबंधों के प्रभाव के कारण नागरिक विमान उत्पादन की दर में एक तिहाई की गिरावट आई है।

2019 में, यूरोप विभिन्न घटकों और विमान इंजनों सहित नागरिक विमानों और हेलीकॉप्टरों के उत्पादन में विश्व के नेताओं में से एक था, जो लगभग 400, {2}} नौकरियों का समर्थन करता था और 130 बिलियन यूरो का राजस्व उत्पन्न करता था। जबकि अंतरिक्ष अन्वेषण और रक्षा महामारी से काफी हद तक अप्रभावित रहे हैं, नागरिक विमान उत्पादन अभी भी ठीक हो रहा है।

फरवरी 2023 में प्रकाशित "कमर्शियल एयरोस्पेस में अनिश्चितता" (कमर्शियल एयरोस्पेस में अनिश्चितता) में, एक प्रसिद्ध परामर्श और अनुसंधान कंपनी मैकिन्से ने बताया कि दुनिया को 9,400 यात्री विमानों (मुख्य रूप से संकीर्ण-बॉडी जेट) के निर्माण को पचाने की जरूरत है ) 2027 के अंत तक। विमान) बैकलॉग। लेकिन भविष्य में हवाई यात्री यातायात की वृद्धि, आपूर्ति श्रृंखलाओं के स्वास्थ्य और कार्यबल के बारे में अनिश्चितता है। परिणामस्वरूप, निर्माताओं को बैकलॉग को संभालने और मांग में भविष्य में होने वाले बदलावों का जवाब देने के लिए उत्पादन दक्षता और लचीलेपन को बढ़ाने की आवश्यकता है।

उत्पादकता बढ़ाने और लागत कम रखने की लेजर प्रसंस्करण की क्षमता एयरोस्पेस उद्योग से इस प्रतिक्रिया को सक्षम करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकती है। लेजर प्रसंस्करण - कटिंग, वेल्डिंग, पीनिंग और ड्रिलिंग के रूप में संचालन - एयरोस्पेस विनिर्माण का एक अभिन्न अंग बन गया है।

उदाहरण के लिए, लेजर का उपयोग विमान के पंखों, विंग फास्टनरों, जेट इंजन भागों और सीट भागों के लिए फ्लैप बनाने के लिए किया जाता है, और टरबाइन की मरम्मत, भागों से पेंट को साफ करने या हटाने और आगे की प्रक्रिया के लिए भागों को तैयार करने के लिए भी किया जाता है। भाग की सतह. हाल के वर्षों में, अंतरिक्ष उड़ान में लेजर एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (एएम) की भी लोकप्रियता बढ़ी है। इसके अलावा, बाजार को एयरोस्पेस घटकों की ट्रैसेबिलिटी में सुधार की उम्मीद है, और लेजर मार्किंग की आवश्यकताएं भी बढ़ रही हैं।

लेजर कटिंग और वेल्डिंग

लेजर कटिंग एक तेज़, लागत प्रभावी और सटीक प्रक्रिया है जिसका उपयोग एयरोस्पेस क्षेत्र की मांग वाली विनिर्माण आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए किया जाता है।

पारंपरिक प्रसंस्करण की तुलना में, लेजर कटिंग में उच्च परिशुद्धता, कम सामग्री अपशिष्ट, तेज प्रसंस्करण गति, कम लागत और कम उपकरण रखरखाव होता है। इसके अलावा, यह उत्पादकता को अधिकतम करता है क्योंकि यह मशीनिंग में कोई भी आवश्यक परिवर्तन त्वरित और आसान बनाता है।

लेजर का उपयोग विंग फास्टनर पार्ट्स, जिग पार्ट्स, एंड इफ़ेक्टर पार्ट्स, टूलींग पार्ट्स और बहुत कुछ बनाने के लिए किया जा सकता है। यह छोटे घटकों जैसे ग्राफ्टेड ऑयल गास्केट और टाइटेनियम ब्लीड डक्ट मैनिफोल्ड्स के साथ-साथ एग्जॉस्ट कोन जैसे बड़े घटकों के लिए समान रूप से उपयुक्त है। यह एल्यूमीनियम, हास्टेलॉय (निकल जो मोलिब्डेनम और क्रोमियम जैसे तत्वों के साथ मिश्रित किया गया है), इनकोनेल, नितिनोल, नितिनोल, स्टेनलेस स्टील, टैंटलम और टाइटेनियम सहित विभिन्न प्रकार की एयरोस्पेस सामग्रियों को मशीनीकृत कर सकता है।

लेज़र वेल्डिंग का उपयोग एयरोस्पेस में चिपकने वाले बंधन और यांत्रिक बन्धन जैसे पारंपरिक जुड़ने के तरीकों के विकल्प के रूप में भी किया जाता है। उदाहरण के लिए, विमान निर्माण में हल्के एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं और कार्बन फाइबर प्रबलित पॉलिमर (सीएफआरपी) की लेजर वेल्डिंग का उपयोग जोर पकड़ रहा है और जहां भी संभव हो रिवेटिंग को बदलने के लिए इसका उपयोग किया जा रहा है। लेजर बुनाई वेल्डिंग जैसी तकनीकें भी ईंधन टैंकों को जोड़ने, संयुक्त दक्षता और ताकत में सुधार करने, पुनः काम को कम करने और बहुत सारा पैसा बचाने में सफल रही हैं। एयरोस्पेस में वेल्डिंग की अन्य सफलताओं में टरबाइन ब्लेड के कास्ट कोर को कवर प्लेट से जोड़ना शामिल है; और एक नए प्रकार के हल्के विंग फ्लैप का निर्माण करना जो लैमिनर प्रवाह नियंत्रण को बढ़ाता है, ड्रैग को कम करता है और ईंधन दक्षता को अनुकूलित करता है।

लेजर वेल्डिंग में पारंपरिक तरीकों की तुलना में लागत बचाने, घटक वजन कम करने और वेल्ड गुणवत्ता में सुधार करने की क्षमता है, और कई निर्माता वर्तमान में एयरफ्रेम भागों के उत्पादन के लिए लेजर वेल्डिंग पर विचार कर रहे हैं।

Lअसर सफाई

एयरोस्पेस क्षेत्र में निर्माता मशीनिंग की तैयारी में धातु और मिश्रित सतहों की परतों को हटाने, कोटिंग्स या जंग को हटाने और पुन: पेंटिंग से पहले बड़े घटकों या पूरे विमान से पेंट हटाने के लिए लेजर सफाई का उपयोग करते हैं।

सफाई प्रक्रिया के दौरान, लेजर को धातु की सतह द्वारा अवशोषित और वाष्पित किया जाता है, जिससे सतह की सामग्री का अपस्फीति प्राप्त होता है, जबकि आंतरिक परत सामग्री पर बहुत कम प्रभाव पड़ता है, और घटकों को आकस्मिक थर्मल क्षति नहीं होगी। किलोवाट वर्ग में स्पंदित फाइबर लेजर विशेष रूप से तेजी से लेजर सफाई के लिए उपयुक्त हैं - वे सिरेमिक, कंपोजिट, धातु और प्लास्टिक सहित विभिन्न प्रकार की सामग्रियों की कुशल, उच्च परिशुद्धता की सफाई सक्षम करते हैं।

हाल के वर्षों में, विमान में मिश्रित सामग्रियों का उपयोग बढ़ गया है, और इसलिए धातुओं को मिश्रित सामग्रियों में जोड़ने की आवश्यकता बढ़ गई है। एयरोस्पेस विनिर्माण में, इन दो भिन्न सामग्रियों को जोड़ने के लिए चिपकने वाले पदार्थों का उपयोग किया जा सकता है। एक मजबूत बंधन बनाने के लिए, चिपकने वाला लगाने से पहले दोनों सतहों को सावधानीपूर्वक तैयार किया जाना चाहिए।

लेज़र सफ़ाई आदर्श है क्योंकि यह बहुत कसकर नियंत्रित, प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य सतह फ़िनिश बनाता है जो सुसंगत, पूर्वानुमानित बॉन्डिंग को सक्षम बनाता है। परंपरागत रूप से, यह विनाशकारी ब्लास्टिंग तकनीकों या कई रसायनों के अनुप्रयोग के माध्यम से किया जाएगा। हालाँकि, लेजर सफाई अब एक-चरणीय विधि प्रदान करती है जो न केवल अधिक लागत प्रभावी और उत्पादक है, बल्कि इसका पर्यावरणीय प्रभाव भी कम है क्योंकि इसमें किसी जहरीले रसायन या ब्लास्टिंग सामग्री की आवश्यकता नहीं होती है। पारंपरिक तरीकों की तुलना में लेजर सफाई भी भागों पर अधिक कोमल होती है।

धातु और मिश्रित विमान भागों की लेजर सफाईजब पेंट स्ट्रिपिंग की बात आती है तो यह रासायनिक स्ट्रिपिंग या ब्लास्टिंग तकनीक से भी अधिक फायदेमंद है। अपने उपयोगी जीवन के दौरान, एक विमान को 4-5 बार फिर से रंगा जा सकता है, और पारंपरिक तकनीकों का उपयोग करके पूरे विमान से पेंट हटाने में एक सप्ताह या उससे अधिक का समय लग सकता है। इसके विपरीत, विमान के आकार के आधार पर, लेजर सफाई इस समय को घटाकर 3-4 दिनों तक कर सकती है, और यह श्रमिकों के लिए भागों को अधिक सुलभ भी बनाती है। इसके अलावा, जब रासायनिक स्ट्रिपिंग या ब्लास्टिंग के बजाय पेंट हटाने के लिए उपयोग किया जाता है, तो लेजर सफाई महत्वपूर्ण लागत बचत प्रदान करती है - प्रति विमान हजारों पाउंड, क्योंकि खतरनाक अपशिष्ट लगभग 90 प्रतिशत या उससे अधिक कम हो जाता है और सामग्री प्रबंधन की आवश्यकताएं कम हो जाती हैं।

लेजर पीनिंग/लेजर शॉक पीनिंग

धातु घटकों के भीतर तनाव से जेट इंजनों में पंखे के ब्लेड जैसे विमान घटकों में धातु थकान विफलता हो सकती है, जिससे क्षति या चोट लगने की संभावना होती है। इसे लेज़र पीनिंग नामक तकनीक से कम किया जा सकता है।

इस प्रक्रिया में, लेजर प्रकाश के स्पंदों को उच्च-तनाव सांद्रता वाले क्षेत्र में निर्देशित किया जाता है, और प्रत्येक पल्स घटक की सतह और शीर्ष पर छिड़के गए पानी की एक परत के बीच प्लाज्मा के एक छोटे विस्फोट को प्रज्वलित करता है। पानी की परत विस्फोट को सीमित कर देती है, जिससे सदमे की लहर घटक में प्रवेश कर जाती है और इसके प्रसार क्षेत्र के विस्तार के रूप में संपीड़ित अवशिष्ट तनाव उत्पन्न होता है। ये तनाव क्रैकिंग और धातु की थकान के अन्य रूपों का प्रतिकार करते हैं। पारंपरिक प्रक्रियाओं की तुलना में, लेजर सुदृढ़ीकरण धातु भागों की सेवा जीवन को 10-15 गुना तक बढ़ा सकता है।

एयरोस्पेस उद्योग में लेजर पीनिंग का तेजी से उपयोग किया जा रहा है। उदाहरण के लिए, एलएसपी टेक्नोलॉजीज और एयरबस ने संयुक्त रूप से एक पोर्टेबल लेजर पीनिंग सिस्टम विकसित किया है जिसका हाल ही में टूलूज़, फ्रांस में एयरबस के रखरखाव और मरम्मत सुविधा में परीक्षण और मूल्यांकन किया गया था।

लेपर्ड लेजर पीनिंग सिस्टम चक्रीय कंपन तनाव के कारण होने वाली दरारों की शुरुआत और प्रसार को रोककर थकान जीवन को लम्बा खींच देगा। फ़ाइबर ऑप्टिक बीम डिलीवरी और कस्टम टूल का लचीलापन सिस्टम को उन क्षेत्रों को लेजर से रोशन करने की अनुमति देता है जहां विमान तक पहुंचना मुश्किल होता है। साझेदारों के अनुसार, यह प्रणाली लेजर सुदृढ़ीकरण तकनीक में एक सफलता है जो इसके उपयोग को आगे बढ़ाएगी, जिसमें जेट इंजन ब्लेड के जीवन को बढ़ाना और भी बहुत कुछ शामिल है।

अमेरिकी नौसेना के फ्लीट रेडीनेस सेंटर ईस्ट (एफआरसीई) ने भी हाल ही में लेजर शॉक पीनिंग प्रक्रिया का सत्यापन पूरा किया है जिसका एफ -35 बी लाइटनिंग II विमान पर सफलतापूर्वक उपयोग किया गया है। एफआरसीई ने बिना कोई अतिरिक्त सामग्री या वजन जोड़े एफ-35बी लाइटनिंग II के फ्रेम को मजबूत करने के लिए इस प्रक्रिया का उपयोग किया, जो अन्यथा इसकी ईंधन या हथियार ले जाने की क्षमताओं को सीमित कर देता। इससे पांचवीं पीढ़ी के लड़ाकू विमानों, यूएस मरीन कॉर्प्स द्वारा उपयोग किए जाने वाले शॉर्ट-टेक-ऑफ और लैंडिंग वेरिएंट की जीवन प्रत्याशा बढ़ाने में मदद मिलती है।

Lअसर ड्रिलिंग

आधुनिक एयरो इंजनों में लगभग 500,000 छेद होते हैं, जो 1980 के दशक में बने इंजनों से लगभग 100 गुना अधिक होते हैं। साथ ही, विमान निर्माता बढ़ती संख्या में अन्य घटकों का उत्पादन कर रहे हैं जिनमें रिवेटिंग और स्क्रूइंग के लिए बड़ी संख्या में ड्रिल किए गए छेद होते हैं। इसलिए, एयरोस्पेस के क्षेत्र में, लेजर ड्रिलिंग की बाजार में बड़ी संभावनाएं हैं, क्योंकि यह एक सटीक, दोहराने योग्य, तेज और लागत प्रभावी प्रक्रिया प्रदान करती है।

उदाहरण के लिए, विंग या एम्पेनेज स्टेबलाइजर्स पर लगाए जाने वाले बड़े टाइटेनियम एचएलएफसी (हाइब्रिड लैमिनर फ्लो कंट्रोल) पैनलों की कुशल और सटीक माइक्रो ड्रिलिंग के लिए नए हाई-पावर फेमटोसेकंड लेजर सिस्टम विकसित किए जा रहे हैं। ये पैनल छोटे छिद्रों के माध्यम से हवा खींचते हैं, जिससे घर्षण कम हो जाता है और ईंधन की खपत कम हो जाती है।

चूंकि लेजर ड्रिलिंग संपर्क रहित है, इसलिए मशीनीकृत की जाने वाली सामग्री को पारंपरिक उपकरणों की तरह ठीक करने की आवश्यकता नहीं होती है। संपर्क रहित होने का एक अन्य लाभ उपकरण घिसाव की अनुपस्थिति है, जो सीएफआरपी घटकों के लिए ड्रिलिंग संचालन में एक विशेष लाभ का प्रतिनिधित्व करता है। अपनी कठोरता के कारण, सीएफआरपी घटक पारंपरिक उपकरणों के लिए बहुत अधिक अपघर्षक हो सकते हैं। लेजर ड्रिलिंग को बहुत तेज़ गति से भी किया जा सकता है ताकि गर्मी से होने वाली अत्यधिक क्षति संसाधित होने वाली सामग्री को नुकसान न पहुँचाए।

Aअतिरिक्त विनिर्माण

एयरोस्पेस उद्योग में लेजर एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (एएम) भी तेजी से विकसित हुआ है। इस तकनीक में, लेज़र आकार बनाने के लिए पाउडर की क्रमिक परतों को पिघलाते हैं। कैलिफोर्निया स्थित एक रॉकेट कंपनी ने हाल ही में हल्के, तेज और मजबूत अंतरिक्ष घटकों का निर्माण करके अपने अंतरिक्ष मिशनों को अधिक किफायती और कुशल बनाने के लिए दो लेजर बीम 3डी प्रिंटर का ऑर्डर भी दिया है।

जबकि कई परियोजनाएं अभी भी परीक्षण चरण में हैं, मंगल ग्रह पर दो मिशनों पर लेजर एडिटिव विनिर्माण का सफलतापूर्वक उपयोग किया जा चुका है। नासा का क्यूरियोसिटी रोवर, जो अगस्त 2012 में उतरा, मंगल ग्रह पर 3डी-मुद्रित भागों को लाने वाला पहला मिशन था। यह मंगल ग्रह पर नमूना विश्लेषण (एसएएम) उपकरण के अंदर एक सिरेमिक घटक है, जो एडिटिव विनिर्माण तकनीकों की विश्वसनीयता की जांच करने के लिए चल रहे परीक्षण कार्यक्रम का हिस्सा है।

इस बीच, फरवरी 2021 में मंगल ग्रह पर उतरने वाले नासा के दृढ़ता रोवर में 11 धातु के हिस्से शामिल हैं जिन्हें लेजर के साथ जोड़कर निर्मित किया गया था। इनमें से पांच घटक पर्सिवरेंस के प्लैनेटरी इंस्ट्रूमेंट फॉर एक्स-रे लिथोकेमिस्ट्री (PIXL) में हैं, जो मंगल ग्रह पर जीवाश्म माइक्रोबियल जीवन के संकेतों की खोज कर रहा है। इन भागों को इतना हल्का होना चाहिए कि फोर्जिंग, मोल्डिंग और कटिंग जैसी पारंपरिक तकनीकें इनका उत्पादन न कर सकें।

नासा रॉकेट घटकों के लेजर एडिटिव निर्माण के साथ भी प्रयोग कर रहा है। एक अध्ययन में, रॉकेट इंजन का दहन कक्ष तांबे के मिश्र धातु से बनाया गया था। इस लेजर एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग के निरंतर विकास के परिणामस्वरूप यह हिस्सा लगभग आधी लागत पर और पारंपरिक मशीनिंग, जुड़ने और असेंबली के लिए आवश्यक समय के छठे हिस्से में निर्मित होता है। चूंकि इस्तेमाल किया गया तांबा मिश्र धातु अवरक्त लेजर के लिए अत्यधिक परावर्तक है, नासा अब जांच कर रहा है कि हरे या नीले लेजर दक्षता और उत्पादकता में कैसे सुधार कर सकते हैं।

जबकि एयरोस्पेस में एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग का उपयोग अभी भी शुरुआती चरण में है, अगले 20 वर्षों में इसके बढ़ने की उम्मीद है।

लेजर बनावट

एयरोस्पेस उद्योग में लेजर टेक्सचरिंग भी एक बहुत नया अनुप्रयोग है। इस प्रक्रिया में, प्रत्यक्ष लेजर हस्तक्षेप पैटर्निंग (डीएलआईपी) नामक तकनीक के माध्यम से विमान की सतह पर सूक्ष्म-नैनोस्ट्रक्चर बनाने के लिए अल्ट्राफास्ट लेजर का उपयोग किया जाता है, जिसका उपयोग प्राकृतिक "कमल प्रभाव" बनाने के लिए किया जाता है, जो नैनोस्ट्रक्चर बनाता है जो सतह को रोकने में मदद करता है संदूषण और विमान पर बर्फ जमने से रोकना।

इनोवेटिव ऑप्टिक्स एक शक्तिशाली अल्ट्राफास्ट लेजर पल्स को कई आंशिक बीमों में विभाजित करता है, जिन्हें फिर संसाधित करने के लिए सतह पर संयोजित किया जाता है। जब माइक्रोस्कोप के नीचे देखा जाता है, तो परिणामी सूक्ष्म संरचना "खंभे" या गलियारों से बने सूक्ष्म "हॉल" जैसा दिखता है। "स्तंभों" के बीच की दूरी लगभग 150nm से 30μm है - इस संरचना का मतलब है कि पानी की बूंदें अब सतह को गीला नहीं कर सकती हैं और उससे चिपक नहीं सकती हैं क्योंकि सतह पर उनकी पकड़ पर्याप्त नहीं है।

विमान के लिए सामग्री के लाभों में पानी, बर्फ और कीड़ों से बचाव की क्षमता में वृद्धि शामिल है। ये विमान की सतह पर चिपक सकते हैं और विमान के वायु प्रतिरोध को बढ़ा सकते हैं, जिससे ईंधन की खपत बढ़ सकती है। इस लेजर टेक्सचरिंग को लागू करने से बर्फ से बचने के लिए वर्तमान में विमान की सतहों पर लागू होने वाले जहरीले रासायनिक उपचार की आवश्यकता कम हो जाएगी। यह ज्ञात है कि समय के साथ यह पुराना हो जाता है और इसके क्षतिग्रस्त होने का खतरा हो जाता है। इसके अलावा, डीएलआईपी विधि से निर्मित लेजर संरचनाएं पर्यावरण संबंधी चिंता पैदा किए बिना वर्षों तक चल सकती हैं।