최근 몇 년 동안 상용 및 군용 항공기, 위성, 우주선, 드론 및 무인 항공기(UAV)를 포함한 항공우주 부문은 일부 대대적인 변화를 겪었습니다. 점점 더 많은 기업들이 우주 경쟁에 뛰어들고 있으며, 그 중 다수는 혁신적인 제조 기술을 필요로 합니다.
이와는 대조적으로, 전염병으로 인한 여행 제한이 상업 항공에 미치는 영향으로 인해 민간 항공기 제조율이 1/3로 떨어졌습니다.
2019년 유럽은 민간 항공기 및 헬리콥터 생산(다양한 구성 요소 및 항공기 엔진 포함) 분야의 글로벌 리더 중 하나로 약 400000 일자리를 제공하고 1,300억 유로의 수익을 창출했습니다. 우주 탐사와 방어는 New Crown 대유행의 영향을 거의 받지 않았지만 민간 항공기 생산과 제조는 여전히 회복 단계에 있습니다.
2023년 2월 발행물인 상업용 항공우주의 불확실성(Uncertainty in Commercial Aerospace)에서 선도적인 컨설팅 및 연구 회사인 McKinsey는 전 세계가 2027년 말까지 9,400대의 여객기(주로 내로우 바디 제트기)를 제작하기 위한 주문 잔고를 흡수해야 한다고 보고했습니다. 그러나 불확실성이 있습니다. 항공 여객 운송의 미래 성장, 공급망 및 노동력의 건전성에 대해. 결과적으로 제조업체는 백로그를 처리하고 향후 수요 변화에 대응하기 위해 생산성과 유연성을 개선해야 합니다.
생산성을 높이고 비용을 낮게 유지하는 레이저 가공 능력은 항공우주 산업에서 이러한 대응을 가능하게 하는 데 핵심적인 역할을 할 수 있습니다. 절단, 용접, 쇼트 피닝(shot peening) 및 드릴링 작업 형태의 레이저 가공은 항공우주 제조의 필수적인 부분이 되었습니다.
예를 들어, 레이저는 항공기 날개 플랩, 날개 패스너, 제트 엔진 구성 요소 및 좌석 부품을 제조하고 터빈을 수리하고 부품에서 페인트를 청소 또는 제거하고 추가 처리를 위해 구성 요소 표면을 준비하는 데 사용됩니다. 최근 몇 년 동안 레이저 적층 제조(AM)는 항공우주 비행 부문에서도 점차 인기를 얻고 있습니다. 또한 시장은 항공우주 부품의 추적 가능성을 개선하기를 원하며 이에 따라 레이저 마킹에 대한 수요가 증가하고 있습니다.
레이저 절단 및 용접
레이저 절단은 항공우주 부문의 까다로운 제조 요구 사항을 충족하는 데 사용할 수 있는 빠르고 비용 효율적이며 정밀한 프로세스입니다.
기존 가공에 비해 레이저 절단은 높은 정확도, 재료 낭비 감소, 빠른 가공 속도, 비용 절감 및 장비 유지 보수 감소를 제공합니다. 또한 공정에 필요한 변경 사항을 쉽고 빠르게 수행할 수 있어 생산성을 극대화할 수 있습니다.
레이저는 윙 패스너 부품, 고정 부품, 엔드 이펙터 부품, 툴링 부품 등을 생산하는 데 사용할 수 있습니다. 이식 오일 개스킷 및 티타늄 파일럿 튜브 매니폴드와 같은 작은 부품뿐만 아니라 다음과 같은 더 큰 부품에도 똑같이 적합합니다. 배기 콘으로. 알루미늄, 하스텔로이(몰리브덴 및 크롬과 같은 원소와 합금된 니켈), 인코넬, 니티놀, 니티놀, 스테인리스강, 탄탈륨 및 티타늄을 포함한 다양한 항공우주 재료를 처리할 수 있습니다.
레이저 용접은 접착 본딩 및 기계적 고정과 같은 기존 접합 방법의 대안으로 항공우주 분야에서도 사용됩니다. 예를 들어, 항공기 제조에서 경량 알루미늄 합금 및 탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP)의 레이저 용접 사용은 점차 가치가 높아지고 있으며 가능한 한 리벳 조인트를 대체하는 데 사용되고 있습니다. 레이저 스윙 용접과 같은 기술은 연료 탱크 연결에서도 성공하여 연결의 효율성과 강도를 개선하고 재작업을 줄이며 상당한 비용을 절감합니다. 항공 우주 분야의 다른 용접 성공에는 터빈 블레이드의 주조 코어를 덮개에 부착하는 것이 포함됩니다. 층류 제어를 높이고 항력을 최소화하며 연료 효율을 최적화하는 새로운 유형의 경량 날개 플랩을 만듭니다.
기존 방법에 비해 비용 절감, 구성 요소 중량 감소 및 용접 품질 향상의 가능성으로 인해 시장의 여러 제조업체는 기체 부품에 대한 레이저 용접을 고려하고 있습니다.
레이저 클리닝
항공우주 분야의 제조업체는 레이저 클리닝을 사용하여 기계 가공을 위한 준비 과정에서 금속 및 복합재 표면에서 층을 제거하고, 코팅 또는 부식을 제거하고, 다시 칠하기 전에 대형 부품 또는 전체 항공기에서 페인트를 제거합니다.
세척 과정에서 레이저 광은 금속 표면층에 의해 흡수 및 증발되어 내부층에 거의 또는 전혀 영향을 주지 않고 부품에 부수적인 열 손상 없이 표면 재료를 제거합니다. 킬로와트급 펄스 파이버 레이저는 특히 빠른 레이저 청소에 적합합니다. 세라믹, 합성물, 금속 및 플라스틱을 포함한 광범위한 재료를 높은 효율과 정밀도로 청소할 수 있습니다.
항공기에서 복합재의 사용은 최근 몇 년 동안 증가했으며 따라서 복합재에 금속을 접합해야 할 필요성도 있습니다. 항공우주 제조 분야에서는 접착제를 사용하여 이 두 가지 다른 재료를 결합할 수 있으며 강력한 결합을 만들기 위해 접착제를 적용하기 전에 두 표면을 조심스럽게 가공 준비해야 합니다.
레이저 클리닝은 일관되고 예측 가능한 접착을 달성할 수 있는 매우 엄격하게 제어되고 재현 가능한 표면 효과를 생성하기 때문에 이상적인 옵션입니다. 전통적으로 이것은 파괴적인 발파 기술이나 여러 화학 물질의 적용을 통해 달성됩니다. 그러나 이제 레이저 청소는 비용 효율적이고 생산적일 뿐만 아니라 독성 화학 물질이나 발파 재료가 필요하지 않기 때문에 환경에 미치는 영향이 훨씬 적은 원스텝 접근 방식을 제공합니다. 레이저 클리닝은 기존 방법보다 부품에 훨씬 부드럽습니다.
금속 및 복합 항공기 부품의 레이저 클리닝은 페인트 스트리핑과 관련하여 화학적 스트리핑 또는 블라스팅 기술보다 더 유용합니다. 수명 동안 항공기는 4-5번 다시 칠할 수 있으며 기존 기술을 사용하여 전체 항공기에서 페인트를 제거하는 데 일주일 이상이 걸릴 수 있습니다. 반대로 레이저 청소는 항공기의 크기에 따라 이 시간을 3-4일로 단축할 수 있으며 작업자가 부품에 더 쉽게 접근할 수 있습니다. 또한 화학적 박리 또는 발파가 아닌 페인트 제거에 레이저 청소를 사용하면 유해 폐기물이 약 90% 이상 감소하고 자재 취급 요구 사항이 줄어들기 때문에 항공기당 수천 파운드의 상당한 비용을 절감할 수 있습니다.
레이저 블라스팅/레이저 임팩트 피닝
금속 구성 요소 내의 응력은 제트 엔진의 팬 블레이드와 같은 항공기 구성 요소의 금속 피로 파손으로 이어질 수 있으며, 이는 잠재적으로 손상이나 부상을 유발할 수 있습니다. 이는 레이저 피닝으로 알려진 기술로 완화할 수 있습니다.
이 프로세스에서 레이저 펄스는 높은 응력 집중 영역으로 향하고 각 펄스는 구성 요소 표면과 상단에 분사되는 물 층 사이에서 작은 플라즈마 폭발을 점화합니다. 수층은 충격파가 구성 요소를 관통하고 전파 영역이 확장됨에 따라 압축 잔류 응력을 생성하는 폭발을 제한합니다. 이러한 응력은 균열 및 기타 형태의 금속 피로를 상쇄합니다. 레이저 피닝은 기존 공정에 비해 금속 부품의 수명을 10-15배 연장할 수 있습니다.
레이저 피닝은 항공우주 산업에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 예를 들어, LSP Technologies와 Airbus는 프랑스 툴루즈에 있는 Airbus의 유지 보수 및 수리 시설에서 최근 테스트 및 평가된 휴대용 레이저 피닝 시스템을 공동으로 개발했습니다.
Leopard 레이저 피닝 시스템은 주기적 진동 응력으로 인한 균열의 발생 및 확장을 억제하여 피로 수명을 연장합니다. 광섬유 빔 전달 및 맞춤형 툴링의 유연성을 통해 시스템은 항공기의 도달하기 어려운 영역에 레이저로 도달할 수 있습니다. 파트너에 따르면 이 시스템은 레이저 피닝 기술의 혁신이며 무엇보다도 제트 엔진 블레이드의 수명 연장을 포함하여 사용을 향상시킬 것입니다.
미 해군 FRCE(Fleet Readiness Center East)도 최근 F-35B Lightning II 항공기에 성공적으로 사용된 레이저 충격 강화 프로세스의 검증을 완료했습니다. FRCE는 연료나 무기 운반 능력을 제한하는 추가 재료나 무게를 추가하지 않고 F-35B Lightning II의 프레임을 강화하는 프로세스를 사용했습니다. 이는 미 해병대가 사용하는 단거리 이착륙 버전인 5세대 전투기의 수명을 연장하는 데 도움이 된다.
레이저 드릴링
최신 항공기 엔진에는 약 500000개의 구멍이 있으며 이는 1980년대에 제작된 엔진 수의 약 100배입니다. 동시에 항공기 제조업체는 리벳 및 나사 연결을 위해 많은 수의 드릴 구멍이 있는 다른 부품을 점점 더 많이 생산하고 있습니다. 따라서 레이저 드릴링은 정확하고 반복 가능하며 빠르고 비용 효율적인 프로세스를 제공하기 때문에 항공우주 분야에서 엄청난 시장 잠재력을 가지고 있습니다.
예를 들어, 날개 또는 꼬리 안정 장치에 장착될 대형 티타늄 HLFC(Hybrid Laminar Flow Control) 패널의 효율적이고 정밀한 마이크로 드릴링을 위해 새로운 고출력 펨토초 레이저 시스템이 개발되고 있습니다. 이 패널은 작은 구멍을 통해 공기를 끌어들여 마찰 항력을 줄이고 연료 소비를 낮춥니다.
이미지 레이저는 CFRP 항공기 부품 드릴링에 점점 더 많이 사용되고 있습니다.
(이미지 제공: 레이저 센터 하노버)
레이저 드릴링은 비접촉식이므로 가공 중인 재료를 기존 공구로 가공하는 것과 같은 방식으로 고정할 필요가 없습니다. 비접촉식의 또 다른 장점은 공구 마모가 발생하지 않는다는 것인데, 이는 CFRP 부품 드릴링 작업에서 특별한 이점을 나타냅니다. 경도로 인해 CFRP 구성 요소는 기존 도구에서 매우 높은 마모를 유발할 수 있습니다. 레이저 드릴링은 또한 매우 빠른 속도로 수행할 수 있으므로 열로 인한 과도한 손상이 처리 중인 재료에 해를 끼치지 않습니다.
첨가제 제조
레이저 적층 제조(AM)도 항공우주 산업에서 급속한 추진력을 얻고 있습니다. 이 기술에서는 레이저가 연속적인 분말 층을 녹여 모양을 만듭니다. 캘리포니아에 기반을 둔 한 로켓 회사는 최근 12-레이저 빔 3D 프린터 2대를 주문하여 더 가볍고 빠르고 강력한 우주 부품을 만들어 우주 임무를 더욱 경제적이고 효율적으로 만들기도 했습니다.
많은 프로젝트가 아직 테스트 단계에 있지만 레이저 적층 제조는 화성에 대한 두 가지 임무에서 성공적으로 사용되었습니다. 2012년 8월에 착륙한 NASA의 큐리오시티 탐사선은 3D 프린팅된 부품을 화성으로 운반하는 최초의 임무였습니다. 이것은 적층 제조 기술의 신뢰성을 조사하기 위해 진행 중인 테스트 프로그램의 일부인 SAM(Sample Analysis on Mars) 기기 내부의 세라믹 구성 요소입니다.
한편, 2021년 2월 화성에 착륙하는 NASA의 Trailblazer 로버에는 11개의 레이저 적층 제조 금속 부품이 포함되어 있습니다. 부품 중 5개는 화성에서 미생물 화석 생명체의 흔적을 찾고 있는 트레일의 PIXL(Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry)에 있습니다. 이러한 부품은 기존의 단조, 성형 및 절단 기술로는 생산할 수 없을 정도로 가벼워야 합니다.
NASA는 또한 로켓 구성 요소의 레이저 적층 제조를 실험하고 있습니다. 한 연구에서 로켓 엔진의 연소실은 구리 합금으로 만들어졌습니다. 이러한 레이저 적층 제조의 지속적인 개발로 인해 기존 기계 가공, 접합 및 조립에 필요한 비용은 약 절반, 시간은 1/6로 제조할 수 있는 구성 요소가 탄생했습니다. 사용된 구리 합금은 적외선 레이저의 반사율이 높기 때문에 NASA는 현재 녹색 또는 청색 레이저가 효율성과 생산성을 향상시킬 수 있는 방법을 조사하고 있습니다.
항공우주 분야에서 적층 가공의 사용은 아직 초기 단계이지만 향후 20년 동안 성장할 것으로 예상됩니다.
레이저 그로스
레이저 그로싱은 항공우주 산업에서 매우 새로운 응용 분야이기도 합니다. 이 과정에서 초고속 레이저는 직접 레이저 간섭계 패터닝(DLIP)으로 알려진 기술을 통해 항공기 표면에 마이크로 나노구조를 생성하는 데 사용됩니다. 이 기술은 자연스러운 "연꽃 효과"를 생성하는 데 사용되어 표면 오염과 얼음을 방지하는 데 도움이 되는 나노구조를 생성합니다. 항공기에 축적.
혁신적인 광학 장치는 강력한 초고속 레이저 펄스를 여러 개의 부분 빔으로 분할한 다음 처리 중인 표면에서 결합합니다. 현미경으로 볼 때 결과적인 미세 구조는 "기둥" 또는 잔물결의 미세한 "홀"과 유사합니다. "기둥" 사이의 거리는 약 150nm에서 30µm 사이입니다. 이 구조는 물방울이 표면을 충분히 붙잡지 못하기 때문에 더 이상 표면을 적시고 달라붙지 않는다는 것을 의미합니다.
항공기에 대한 이 소재의 이점에는 물, 얼음 및 곤충에 대한 반발력 증가가 포함됩니다. 이들은 항공기 표면에 달라붙어 바람에 대한 항공기의 저항을 증가시켜 연료 소비를 증가시킬 수 있습니다. 이 레이저 텍스처를 적용하면 결빙을 방지하기 위해 현재 항공기 표면에 적용되는 독성 화학 처리의 필요성이 줄어듭니다. 시간이 지남에 따라 악화되고 손상되기 쉬운 것으로 알려져 있습니다. 또한 DLIP 방식으로 제작된 레이저 구조물은 수년간 사용할 수 있으며 환경 문제를 일으키지 않습니다.
