Ces dernières années, le secteur aérospatial - y compris les avions commerciaux et militaires, les satellites, les engins spatiaux, les drones et les véhicules aériens sans pilote (UAV) - a subi des changements radicaux. Un nombre croissant d'entreprises ont rejoint la course à l'espace, dont beaucoup nécessitent des technologies de fabrication innovantes.
En revanche, l'impact des restrictions de voyage causées par la pandémie sur l'aviation commerciale a entraîné une baisse d'un tiers des taux de fabrication des avions civils.
En 2019, l'Europe était l'un des leaders mondiaux de la production d'avions et d'hélicoptères civils (y compris divers composants et moteurs d'avions), fournissant quelque 400 000 emplois et générant 130 milliards d'euros de revenus. Alors que l'exploration et la défense spatiales ne sont en grande partie pas affectées par la pandémie de New Crown, la production et la fabrication d'avions civils sont toujours en phase de reprise.
Dans sa publication de février 2023, Uncertainty in Commercial Aerospace, la principale société de conseil et de recherche McKinsey rapporte que le monde doit absorber un arriéré de commandes pour construire 9 400 avions de passagers (principalement des avions à réaction à fuselage étroit) d'ici la fin de 2027. Mais il y a de l'incertitude sur la croissance future du transport aérien de passagers, la chaîne d'approvisionnement et la solidité de la main-d'œuvre. Par conséquent, les fabricants doivent améliorer leur productivité et leur flexibilité pour gérer l'arriéré et répondre aux futures évolutions de la demande.
La capacité du traitement laser à augmenter la productivité et à maintenir les coûts bas peut jouer un rôle clé pour permettre cette réponse dans l'industrie aérospatiale. Le traitement au laser - sous la forme d'opérations de découpe, de soudage, de grenaillage et de perçage - est devenu une partie intégrante de la fabrication aérospatiale.
Par exemple, les lasers sont utilisés pour fabriquer des volets d'aile d'avion, des fixations d'aile, des composants de moteur à réaction et des pièces de siège, ainsi que pour réparer des turbines, nettoyer ou enlever la peinture des pièces et préparer les surfaces des composants pour un traitement ultérieur. Ces dernières années, la fabrication additive laser (FA) est également devenue de plus en plus populaire dans le secteur du vol aérospatial. De plus, le marché veut améliorer la traçabilité des composants aérospatiaux, et avec cela, la demande de marquage laser augmente.
Découpe et soudure laser
La découpe au laser est un processus rapide, économique et précis qui peut être utilisé pour répondre aux exigences de fabrication exigeantes du secteur aérospatial.
Par rapport au traitement traditionnel, la découpe laser offre une grande précision, moins de déchets de matériaux, des vitesses de traitement plus rapides, des coûts réduits et moins d'entretien de l'équipement. De plus, la productivité peut être maximisée car elle permet d'apporter rapidement et facilement les modifications nécessaires au processus.
Le laser peut être utilisé pour produire des pièces de fixation d'aile, des pièces de montage, des pièces d'effecteur final, des pièces d'outillage, etc. Il convient également aux petites pièces, telles que les joints d'huile de greffe et les collecteurs de tubes pilotes en titane, ainsi que comme cônes d'échappement. Il peut traiter une variété de matériaux aérospatiaux, notamment l'aluminium, l'Hastelloy (nickel allié à des éléments tels que le molybdène et le chrome), l'Inconel, le Nitinol, le Nitinol, l'acier inoxydable, le tantale et le titane.
Le soudage au laser est également utilisé dans l'aérospatiale comme alternative aux méthodes d'assemblage traditionnelles, telles que le collage et la fixation mécanique. Par exemple, l'utilisation du soudage au laser d'alliages d'aluminium légers et de polymères renforcés de fibres de carbone (CFRP) dans la construction aéronautique est de plus en plus appréciée et est utilisée dans la mesure du possible pour remplacer les joints rivetés. Des technologies telles que le soudage par oscillation au laser ont également été couronnées de succès dans les connexions de réservoir de carburant, améliorant l'efficacité et la résistance de la connexion, réduisant les reprises et offrant des économies de coûts significatives. D'autres succès de soudage dans l'aérospatiale incluent la fixation de noyaux coulés d'aubes de turbine sur des couvercles ; et créer de nouveaux types de volets d'aile légers qui augmentent le contrôle du flux laminaire, minimisent la traînée et optimisent le rendement énergétique.
Avec le potentiel d'économies de coûts, la réduction du poids des composants et l'amélioration de la qualité des soudures par rapport aux méthodes traditionnelles, plusieurs fabricants du marché envisagent déjà le soudage au laser pour les pièces de la cellule.
Nettoyage au laser
Les fabricants du secteur aérospatial utilisent le nettoyage au laser pour enlever les couches des surfaces métalliques et composites en vue de l'usinage, pour enlever les revêtements ou la corrosion et pour enlever la peinture de grandes pièces ou d'avions entiers avant de repeindre.
Pendant le processus de nettoyage, la lumière laser est absorbée et évaporée par la couche superficielle de métal, ce qui entraîne une ablation du matériau de surface avec peu ou pas d'effet sur la couche interne et aucun dommage thermique collatéral sur le composant. Les lasers à fibre pulsée de classe kilowatt sont particulièrement bien adaptés au nettoyage laser rapide - ils peuvent nettoyer une large gamme de matériaux, y compris la céramique, les composites, les métaux et les plastiques, avec une efficacité et une précision élevées.
L'utilisation de composites dans les avions a augmenté ces dernières années, tout comme la nécessité d'associer des métaux à des composites. Dans la fabrication aérospatiale, des adhésifs peuvent être utilisés pour joindre ces deux matériaux différents, et afin de créer une liaison solide, les deux surfaces doivent être soigneusement préparées pour le traitement avant l'application de l'adhésif.
Le nettoyage au laser est l'option idéale car il crée un effet de surface très étroitement contrôlé et reproductible, capable d'obtenir une liaison constante et prévisible. Traditionnellement, cela se faisait par des techniques de dynamitage destructrices ou l'application de plusieurs produits chimiques. Cependant, le nettoyage au laser offre désormais une approche en une étape qui est non seulement plus rentable et plus productive, mais qui a également un impact environnemental beaucoup plus faible car aucun produit chimique toxique ou matériel de sablage n'est requis. Le nettoyage au laser est également beaucoup plus doux pour les pièces que les méthodes traditionnelles.
Le nettoyage au laser des composants métalliques et composites des aéronefs est également plus avantageux que les techniques de décapage chimique ou de grenaillage lorsqu'il s'agit de décaper la peinture. Au cours de sa durée de vie, un avion peut être repeint 4-5 fois, et cela peut prendre une semaine ou plus pour enlever la peinture d'un avion entier en utilisant des techniques traditionnelles. En revanche, le nettoyage au laser peut réduire ce temps à 3-4 jours, selon la taille de l'avion, et il permet également aux travailleurs d'accéder plus facilement aux pièces. De plus, lorsqu'il est utilisé pour le décapage de peinture plutôt que pour le décapage chimique ou le sablage, le nettoyage au laser peut entraîner des économies importantes - des milliers de livres par avion - car les déchets dangereux sont réduits d'environ 90 % ou plus et les exigences de manutention sont réduites.
Sablage laser/Grenaillage par impact laser
Les contraintes dans les composants métalliques peuvent entraîner une défaillance par fatigue du métal dans les composants d'avion tels que les pales de ventilateur dans les moteurs à réaction, ce qui peut potentiellement causer des dommages ou des blessures. Cela peut être atténué par une technique connue sous le nom de martelage au laser.
Dans ce processus, les impulsions laser sont dirigées vers une zone de forte concentration de contraintes, et chaque impulsion déclenche une minuscule explosion de plasma entre la surface du composant et une couche d'eau pulvérisée sur le dessus. La couche d'eau confine le souffle, ce qui fait que l'onde de choc pénètre dans le composant et génère des contraintes résiduelles de compression à mesure que sa zone de propagation s'étend. Ces contraintes neutralisent la fissuration et d'autres formes de fatigue du métal. Le martelage au laser peut prolonger la durée de vie des pièces métalliques de 10-15 fois par rapport aux procédés conventionnels.
Le martelage laser est de plus en plus utilisé dans l'industrie aérospatiale. Par exemple, LSP Technologies et Airbus ont développé conjointement un système de martelage laser portable qui a récemment été testé et évalué dans les installations de maintenance et de réparation d'Airbus à Toulouse, en France.
Le système de martelage laser Leopard prolongera la durée de vie en inhibant l'émergence et l'expansion des fissures causées par les contraintes de vibration cycliques. La flexibilité de la livraison du faisceau de fibres optiques et de l'outillage personnalisé permet au système de laser les zones difficiles à atteindre de l'avion. Selon les partenaires, le système est une percée dans la technologie de martelage au laser et fera progresser son utilisation, notamment en prolongeant la durée de vie des aubes de moteur à réaction, entre autres.
L'US Navy Fleet Readiness Center East (FRCE) a également récemment terminé la validation d'un processus de renforcement par impact laser qui a été utilisé avec succès sur l'avion F-35B Lightning II. FRCE a utilisé le processus pour renforcer le cadre du F-35B Lightning II sans ajouter de matériau ou de poids supplémentaire qui limiterait autrement sa capacité de transport de carburant ou d'armes. Cela contribue à prolonger la durée de vie du chasseur de cinquième génération, la version à décollage et atterrissage courts utilisée par le US Marine Corps.
Perçage au laser
Les moteurs d'avions modernes ont environ 500 000 trous, soit environ 100 fois le nombre de moteurs construits dans les années 1980. Dans le même temps, les constructeurs aéronautiques produisent de plus en plus d'autres composants comportant un grand nombre de trous percés pour des liaisons rivetées et vissées. Le perçage laser a donc un énorme potentiel de marché dans le secteur aérospatial car il offre un processus précis, reproductible, rapide et rentable.
Par exemple, de nouveaux systèmes laser femtoseconde haute puissance sont en cours de développement pour un micro-perçage efficace et précis de grands panneaux en titane HLFC (Hybrid Laminar Flow Control) qui seront montés sur des stabilisateurs d'aile ou de queue. Ces panneaux aspirent l'air à travers de petits trous, réduisant ainsi la traînée de frottement et la consommation de carburant.
Les lasers d'image sont de plus en plus utilisés pour le perçage des composants d'avion CFRP
(Crédit image : Centre laser de Hanovre)
Le perçage au laser étant sans contact, le matériau à traiter n'a pas besoin d'être tenu de la même manière que s'il était traité avec des outils conventionnels. Un autre avantage du sans contact est qu'aucune usure de l'outil ne se produit, ce qui représente un avantage particulier dans l'opération de perçage de composants CFRP. En raison de leur dureté, les composants CFRP peuvent provoquer une usure très élevée sur les outils conventionnels. Le perçage au laser peut également être effectué à des vitesses très élevées, de sorte que les dommages excessifs causés par la chaleur n'endommagent pas le matériau en cours de traitement.
La fabrication additive
La fabrication additive laser (FA) prend également de l'ampleur dans l'industrie aérospatiale. Dans cette technique, un laser fait fondre des couches continues de poudre pour créer des formes. Une société de fusées basée en Californie a même récemment commandé deux 12-imprimantes 3D à faisceau laser pour rendre ses missions spatiales plus économiques et efficaces en créant des composants spatiaux plus légers, plus rapides et plus solides.
Alors que de nombreux projets sont encore en phase de test, la fabrication additive laser a été utilisée avec succès lors de deux missions vers Mars. Le rover Curiosity de la NASA, qui a atterri en août 2012, a été la première mission à transporter des pièces imprimées en 3D sur Mars. Il s'agit d'un composant en céramique à l'intérieur de l'instrument Sample Analysis on Mars (SAM), qui fait partie d'un programme de test en cours pour étudier la fiabilité de la technologie de fabrication additive.
Pendant ce temps, le rover Trailblazer de la NASA, qui atterrit sur Mars en février 2021, contient 11 pièces métalliques fabriquées par additif laser. Cinq des pièces se trouvent dans l'instrument planétaire de Trail pour la lithochimie par rayons X (PIXL), qui recherche des signes de vie fossile microbienne sur Mars. Ces pièces doivent être si légères qu'elles ne peuvent pas être produites par les techniques traditionnelles de forgeage, de moulage et de découpe.
La NASA a également expérimenté la fabrication additive laser de composants de fusée. Dans une étude, la chambre de combustion d'un moteur-fusée était en alliage de cuivre. Ce développement continu de la fabrication additive laser a abouti à un composant qui peut être fabriqué à environ la moitié du coût et un sixième du temps requis pour l'usinage, l'assemblage et l'assemblage traditionnels. Parce que les alliages de cuivre utilisés sont très réfléchissants des lasers infrarouges, la NASA étudie actuellement comment les lasers verts ou bleus peuvent améliorer l'efficacité et la productivité.
Alors que l'utilisation de la fabrication additive dans l'aérospatiale en est encore à ses débuts, elle devrait se développer au cours des 20 prochaines années.
Grossissement laser
Le grossissement laser est également une toute nouvelle application dans l'industrie aérospatiale. Dans ce processus, des lasers ultrarapides sont utilisés pour créer des micro-nanostructures sur les surfaces des avions grâce à une technique connue sous le nom de structuration interférométrique laser directe (DLIP), qui est utilisée pour créer un « effet lotus » naturel, créant des nanostructures qui aident à prévenir la contamination de surface et la glace. accumulation sur l'avion.
L'optique innovante divise une puissante impulsion laser ultrarapide en plusieurs faisceaux partiels, qui sont ensuite combinés sur la surface en cours de traitement. Lorsqu'elle est vue au microscope, la microstructure résultante ressemble à une "salle" microscopique de "piliers" ou d'ondulations. La distance entre les "piliers" est comprise entre environ 150 nm et 30 µm - une structure qui signifie que les gouttelettes d'eau ne mouillent plus la surface et s'y collent car elles n'ont pas assez d'adhérence sur la surface.
Les avantages de ce matériau pour l'avion comprennent une répulsion accrue de l'eau, de la glace et des insectes. Ceux-ci peuvent coller à la surface de l'avion et augmenter la résistance de l'avion au vent, augmentant ainsi la consommation de carburant. L'application de cette texture laser réduira le besoin de traitements chimiques toxiques actuellement appliqués sur les surfaces des avions pour éviter le givrage. Il est connu pour se détériorer avec le temps et est sujet à des dommages. De plus, les structures laser produites par la méthode DLIP peuvent durer plusieurs années et ne causent pas de problèmes environnementaux.
