Dalam beberapa tahun terakhir, sektor kedirgantaraan - termasuk pesawat komersial dan militer, satelit, pesawat ruang angkasa, drone, dan kendaraan udara tak berawak (UAV) - telah mengalami beberapa perubahan besar. Semakin banyak perusahaan telah bergabung dalam perlombaan luar angkasa, banyak di antaranya membutuhkan teknologi manufaktur yang inovatif.
Sebaliknya, dampak pembatasan perjalanan akibat pandemi pada penerbangan komersial telah menyebabkan penurunan sepertiga dalam tingkat produksi pesawat sipil.
Pada tahun 2019, Eropa adalah salah satu pemimpin global dalam produksi pesawat sipil dan helikopter (termasuk berbagai komponen dan mesin pesawat), menyediakan sekitar 400,000 pekerjaan dan menghasilkan pendapatan €130 miliar. Sementara eksplorasi dan pertahanan luar angkasa sebagian besar tidak terpengaruh oleh pandemi New Crown, produksi dan manufaktur pesawat sipil masih dalam tahap pemulihan.
Dalam publikasi Februari 2023, Uncertainty in Commercial Aerospace, firma konsultasi dan penelitian terkemuka McKinsey melaporkan bahwa dunia perlu menyerap tumpukan pesanan untuk membangun 9.400 pesawat penumpang (terutama jet berbadan sempit) pada akhir tahun 2027. Namun ada ketidakpastian tentang pertumbuhan transportasi penumpang udara di masa depan, rantai pasokan, dan kesehatan tenaga kerja. Akibatnya, pabrikan perlu meningkatkan produktivitas dan fleksibilitas 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 di industri kedirgantaraan. Pemrosesan laser - dalam bentuk operasi pemotongan, pengelasan, shot peening, dan pengeboran - telah menjadi bagian integral dari manufaktur kedirgantaraan.
Misalnya, laser digunakan untuk membuat penutup sayap pesawat, pengencang sayap, komponen mesin jet dan bagian kursi, serta untuk memperbaiki turbin, membersihkan atau menghilangkan cat dari bagian dan menyiapkan permukaan komponen untuk diproses lebih lanjut. Dalam beberapa tahun terakhir, pembuatan aditif laser (AM) juga menjadi semakin populer di sektor penerbangan dirgantara. Selain itu, pasar ingin meningkatkan ketertelusuran komponen kedirgantaraan, dan dengan itu, permintaan penandaan laser meningkat.
Pemotongan dan pengelasan laser
Pemotongan laser adalah proses yang cepat, hemat biaya, dan tepat yang dapat digunakan untuk memenuhi persyaratan manufaktur yang menuntut di sektor kedirgantaraan.
Dibandingkan dengan pemrosesan tradisional, pemotongan laser menawarkan akurasi tinggi, limbah material lebih sedikit, kecepatan pemrosesan lebih cepat, biaya lebih rendah, dan perawatan peralatan lebih sedikit. Selain itu, produktivitas dapat dimaksimalkan karena memungkinkan setiap perubahan yang diperlukan pada proses dapat dilakukan dengan cepat dan mudah.
Laser dapat digunakan untuk memproduksi bagian pengikat sayap, bagian perlengkapan, bagian efektor akhir, bagian perkakas, dll. Laser ini juga cocok untuk bagian kecil, seperti gasket minyak cangkok dan manifold tabung pilot titanium, serta bagian yang lebih besar, seperti sebagai knalpot kerucut. Itu dapat memproses berbagai bahan kedirgantaraan, termasuk aluminium, Hastelloy (nikel yang telah dicampur dengan unsur-unsur seperti molibdenum dan kromium), Inconel, Nitinol, Nitinol, stainless steel, tantalum dan titanium.
Pengelasan laser juga digunakan di ruang angkasa sebagai alternatif dari metode penyambungan tradisional, seperti pengikatan perekat dan pengikatan mekanis. Misalnya, penggunaan las laser paduan aluminium ringan dan polimer yang diperkuat serat karbon (CFRP) dalam pembuatan pesawat terbang semakin dihargai dan sedapat mungkin digunakan untuk menggantikan sambungan paku keling. Teknologi seperti las ayunan laser juga telah berhasil dalam sambungan tangki bahan bakar, meningkatkan efisiensi dan kekuatan sambungan, mengurangi pengerjaan ulang dan memberikan penghematan biaya yang signifikan. Keberhasilan pengelasan lainnya di ruang angkasa termasuk memasang inti cor dari bilah turbin ke penutup; dan menciptakan tipe sayap sayap baru yang ringan yang meningkatkan kontrol aliran laminar, meminimalkan hambatan, dan mengoptimalkan efisiensi bahan bakar.
Dengan potensi penghematan biaya, pengurangan bobot komponen, dan kualitas las yang lebih baik dibandingkan dengan metode tradisional, beberapa produsen di pasar bahkan sekarang sedang mempertimbangkan pengelasan laser untuk suku cadang badan pesawat.
Pembersihan laser
Manufaktur di sektor kedirgantaraan menggunakan pembersihan laser untuk menghilangkan lapisan dari permukaan logam dan komposit dalam persiapan pemesinan, untuk menghilangkan lapisan atau korosi, dan untuk menghilangkan cat dari sebagian besar atau seluruh pesawat sebelum pengecatan ulang.
Selama proses pembersihan, sinar laser diserap dan diuapkan oleh lapisan permukaan logam, mengakibatkan ablasi bahan permukaan dengan sedikit atau tanpa efek pada lapisan dalam dan tidak ada kerusakan termal tambahan pada komponen. Laser serat berdenyut kelas Kilowatt sangat cocok untuk pembersihan laser cepat - mereka dapat membersihkan berbagai bahan, termasuk keramik, komposit, logam dan plastik, dengan efisiensi dan presisi tinggi.
Penggunaan komposit dalam pesawat terbang telah meningkat dalam beberapa tahun terakhir, sehingga kebutuhan untuk menggabungkan logam menjadi komposit. Dalam manufaktur kedirgantaraan, perekat dapat digunakan untuk menggabungkan dua bahan yang berbeda ini, dan untuk menciptakan ikatan yang kuat, kedua permukaan harus disiapkan dengan hati-hati untuk diproses sebelum perekat diterapkan.
Pembersihan laser adalah pilihan yang ideal karena menciptakan efek permukaan yang sangat terkontrol dan dapat direproduksi yang mampu mencapai ikatan yang konsisten dan dapat diprediksi. Secara tradisional, ini akan dicapai melalui teknik peledakan yang merusak atau penerapan beberapa bahan kimia. Namun, pembersihan laser sekarang menawarkan pendekatan satu langkah yang tidak hanya lebih hemat biaya dan produktif, tetapi juga memiliki dampak lingkungan yang jauh 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 pada komponen pesawat logam dan komposit juga 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 memberikan pekerja akses yang lebih mudah ke suku cadang. Selain itu, bila digunakan untuk menghilangkan cat daripada pengupasan atau peledakan bahan kimia, pembersihan laser dapat menghasilkan penghematan biaya yang signifikan - ribuan pound per pesawat - karena limbah berbahaya berkurang sekitar 90 persen atau lebih dan kebutuhan penanganan material berkurang.
Peledakan Laser/Peening Dampak Laser
Tekanan dalam 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 laser diarahkan ke area dengan konsentrasi tegangan tinggi, dan setiap pulsa memicu semburan plasma kecil 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. Tegangan ini menangkal retak dan bentuk kelelahan logam lainnya. Peening laser dapat memperpanjang masa pakai komponen logam 10-15 kali dibandingkan dengan proses konvensional.
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 munculnya dan perluasan retakan yang disebabkan oleh tekanan getaran siklik. Fleksibilitas pengiriman sinar serat optik dan peralatan khusus memungkinkan sistem untuk melakukan laser pada area pesawat yang sulit dijangkau. Menurut para mitra, sistem ini merupakan terobosan dalam teknologi peening laser dan akan memajukan penggunaannya, antara lain memperpanjang umur bilah mesin jet.
Pusat Kesiapan Armada Angkatan Laut AS Timur (FRCE) juga baru saja menyelesaikan validasi proses penguatan tumbukan laser yang telah berhasil digunakan pada pesawat F-35B Lightning II. FRCE menggunakan proses tersebut untuk memperkuat rangka F-35B Lightning II tanpa menambahkan bahan atau bobot tambahan apa pun yang akan membatasi kemampuan bahan bakar atau kemampuan membawa senjatanya. Ini membantu memperpanjang harapan hidup pesawat tempur generasi kelima, versi lepas landas dan pendaratan pendek yang digunakan oleh Korps Marinir AS.
Pengeboran Laser
Mesin aero modern memiliki sekitar 500,000 lubang, sekitar 100 kali jumlah mesin yang dibuat pada tahun 1980-an. Pada saat yang sama, pabrikan pesawat memproduksi semakin banyak komponen lain yang memiliki banyak lubang bor untuk sambungan yang dipaku dan disekrup. Oleh karena itu, pengeboran laser memiliki potensi pasar yang sangat besar di sektor kedirgantaraan karena menawarkan 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 yang akan dipasang pada penstabil sayap atau ekor. Panel ini menarik udara melalui lubang kecil, sehingga mengurangi hambatan gesekan dan menurunkan konsumsi bahan bakar.
Laser Gambar semakin banyak digunakan untuk mengebor komponen pesawat CFRP
(Kredit gambar: Laser Center Hannover)
Karena pengeboran laser tidak bersentuhan, bahan yang sedang diproses tidak perlu dipegang dengan cara yang sama seperti jika diproses dengan alat konvensional. Keuntungan lain dari nirkontak adalah tidak terjadi keausan pahat, yang merupakan keuntungan khusus dalam pengoperasian komponen CFRP pengeboran. Karena kekerasannya, komponen CFRP dapat menyebabkan keausan yang sangat tinggi pada perkakas konvensional. Pengeboran laser juga dapat dilakukan dengan kecepatan yang sangat tinggi, sehingga kerusakan yang berlebihan akibat panas tidak merusak material yang sedang diproses.
Manufaktur Aditif
Manufaktur aditif laser (AM) juga mendapatkan momentum yang cepat dalam industri kedirgantaraan. Dalam teknik ini, laser melelehkan lapisan bubuk secara terus menerus untuk membentuk bentuk. Sebuah perusahaan roket yang berbasis di California baru-baru ini memesan dua 12-printer 3D sinar laser untuk membuat misi luar angkasanya lebih ekonomis dan efisien dengan menciptakan komponen ruang 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 cetak 3D ke Mars. Ini adalah komponen keramik di dalam instrumen Sample Analysis on Mars (SAM), bagian dari program pengujian berkelanjutan untuk menyelidiki keandalan teknologi manufaktur aditif.
Sementara itu, penjelajah Trailblazer NASA, yang mendarat di Mars pada Februari 2021, berisi 11 bagian logam yang diproduksi dengan aditif laser. Lima bagiannya ada di Trail's Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry (PIXL), yang mencari tanda-tanda kehidupan fosil mikroba di Mars. Bagian-bagian ini harus sangat ringan sehingga tidak dapat diproduksi dengan teknik penempaan, pencetakan, dan pemotongan tradisional.
NASA juga telah bereksperimen dengan pembuatan aditif laser untuk komponen roket. Dalam sebuah penelitian, ruang bakar mesin roket dibuat dari paduan tembaga. Pengembangan manufaktur aditif laser yang berkelanjutan ini telah menghasilkan komponen yang dapat diproduksi dengan setengah biaya dan seperenam waktu yang diperlukan untuk pemesinan, penyambungan, dan perakitan tradisional. Karena paduan tembaga yang digunakan sangat memantulkan laser inframerah, NASA sekarang sedang 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.
Laser terlaris
Laser terlaris juga merupakan aplikasi yang sangat baru di industri kedirgantaraan. Dalam proses ini, laser ultrafast digunakan untuk membuat mikro-nanostruktur pada permukaan pesawat melalui teknik yang dikenal sebagai direct laser interferometric patterning (DLIP), yang digunakan untuk menciptakan "efek teratai" alami, menciptakan struktur nano yang membantu mencegah kontaminasi permukaan dan es. penumpukan di pesawat.
Optik inovatif membagi pulsa laser ultra cepat yang kuat menjadi beberapa sinar parsial, yang kemudian digabungkan pada permukaan yang sedang diproses. Jika dilihat di bawah mikroskop, struktur mikro yang dihasilkan menyerupai "aula" mikroskopis dari "pilar" atau riak. Jarak antara "pilar" adalah antara sekitar 150nm dan 30µm - sebuah struktur yang berarti tetesan air tidak lagi membasahi permukaan dan menempel padanya karena tidak memiliki pegangan yang cukup di permukaan.
Manfaat material ini untuk pesawat antara lain peningkatan tolakan air, es, dan serangga. Ini dapat menempel pada permukaan pesawat dan meningkatkan daya tahan pesawat terhadap angin, sehingga meningkatkan konsumsi bahan bakar. Penerapan tekstur laser ini akan mengurangi kebutuhan perawatan kimia beracun yang saat ini diterapkan pada permukaan pesawat untuk menghindari icing. Itu diketahui memburuk dari waktu ke waktu dan rentan terhadap kerusakan. Selain itu, struktur laser yang dihasilkan dengan metode DLIP dapat bertahan selama beberapa tahun dan tidak menimbulkan masalah lingkungan.
