Le secteur aérospatial – y compris les satellites commerciaux, les engins spatiaux, les drones et les véhicules aériens sans pilote (UAV) – a connu des changements radicaux ces dernières années. De plus en plus d’entreprises se lancent dans la course à l’espace et nombre d’entre elles ont besoin de techniques de fabrication innovantes.
La capacité du traitement laser à augmenter la productivité et à maintenir les coûts à un niveau bas pourrait jouer un rôle clé dans la réalisation de cette réponse de l'industrie aérospatiale. Le traitement au laser – qui réalise des opérations sous forme de découpe, de soudage, de sablage et de perçage – fait désormais partie intégrante de la fabrication aérospatiale.
Par exemple, les lasers sont utilisés pour fabriquer des volets, des fixations d'ailes, des composants de moteurs à réaction et des pièces de siège pour les ailes d'avion, ainsi que pour réparer des turbines, nettoyer ou enlever la peinture de pièces et préparer les surfaces des composants pour un traitement ultérieur. Ces dernières années, la fabrication additive laser (FA) a également gagné en popularité dans le secteur des vols spatiaux. En outre, le marché cherche à améliorer la traçabilité des composants aérospatiaux, ce qui entraîne une augmentation de la demande en matière de marquage laser.
Découpe et soudage laser
La découpe laser est un processus rapide, rentable et précis qui peut être utilisé pour répondre aux exigences de fabrication exigeantes du secteur aérospatial.
Par rapport au traitement conventionnel, la découpe laser offre une haute précision, moins de gaspillage de matériaux, des vitesses de traitement plus rapides, des coûts réduits et moins de maintenance des équipements. De plus, il maximise la productivité car il est rapide et facile d'apporter les modifications nécessaires à l'usinage.
Le laser peut être utilisé pour produire des pièces de fixation d'ailes, des pièces de fixation, des pièces d'effecteur final, des pièces d'outillage, etc. Il convient aussi bien aux pièces plus petites, comme les joints d'huile greffés et les collecteurs de tubes pilotes en titane, qu'aux pièces plus grandes, comme les cônes d'échappement. Il peut traiter une grande 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 sont des matériaux qui gagnent en importance et sont utilisés pour remplacer le rivetage dans la mesure du possible. Des techniques telles que le soudage pendulaire au laser ont également réussi à assembler des réservoirs de carburant, améliorant l'efficacité et la résistance des joints, réduisant les reprises et permettant des économies significatives. D'autres succès de soudage dans l'aérospatiale incluent la fixation de noyaux moulés d'aubes de turbine aux 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, de réduction du poids des pièces et d'amélioration de la qualité de soudure par rapport aux méthodes traditionnelles, plusieurs fabricants présents sur le marché commencent même aujourd'hui à envisager le soudage au laser pour les pièces de cellule.
Nettoyage au laser
Les fabricants du secteur aérospatial utilisent le nettoyage au laser pour éliminer les couches des surfaces métalliques et composites en vue du traitement, pour éliminer les revêtements ou la corrosion et pour enlever la peinture des gros composants ou des avions entiers avant de repeindre.
Pendant le processus de nettoyage, la lumière laser est absorbée et évaporée par les couches superficielles du métal, ce qui entraîne une ablation du matériau de surface avec peu ou pas d'effet sur les couches internes et aucun dommage thermique collatéral sur le composant. Les lasers à fibre pulsée de la classe kilowatt sont particulièrement adaptés au nettoyage laser rapide : ils permettent un nettoyage efficace et de haute précision d'une large gamme de matériaux, notamment la céramique, les composites, les métaux et les plastiques.
L'utilisation de composites dans les avions a augmenté ces dernières années, tout comme la nécessité de fixer des métaux sur des composites. Dans la fabrication aérospatiale, des adhésifs peuvent être utilisés pour assembler ces deux matériaux différents, et afin de créer une liaison solide, les deux surfaces doivent être soigneusement préparées pour l'usinage avant l'application de l'adhésif.
Le nettoyage au laser est l’option idéale car il crée une finition de surface reproductible et très étroitement contrôlée, capable d’obtenir une liaison cohérente et prévisible. Traditionnellement, cela se faisait au moyen de techniques de dynamitage destructrices ou de l'application de plusieurs produits chimiques. Cependant, le nettoyage au laser propose désormais une approche en une seule étape qui est non seulement plus rentable et plus productive, mais a également moins d'impact sur l'environnement car aucun produit chimique toxique ni matériau de sablage n'est requis. L’impact du nettoyage laser sur les pièces est également beaucoup plus doux que les méthodes traditionnelles.
Le nettoyage au laser des pièces métalliques et composites d’avions est également plus avantageux que les techniques de décapage chimique ou de sablage lorsqu’il s’agit de décapage de peinture. Un avion peut être repeint 4-5 fois au cours de sa durée de vie, et cela peut prendre une semaine ou plus pour enlever la peinture d'un avion entier à l'aide de techniques traditionnelles. En revanche, selon la taille de l'avion, le nettoyage au laser peut réduire ce délai à 3-4 jours et facilite également l'accès des travailleurs aux pièces. De plus, lorsqu'il est utilisé pour enlever la peinture plutôt que pour le décapage chimique ou le sablage, le nettoyage au laser peut entraîner des économies significatives - des milliers de livres par avion - en raison d'une réduction des déchets dangereux d'environ 90 pour cent ou plus et des exigences réduites en matière de manutention.
Grenaillage au laser/Grenaillage par impact laser
Les contraintes au sein des composants métalliques peuvent entraîner une défaillance par fatigue du métal dans les composants d'avion (tels que les pales de soufflante des moteurs à réaction), ce qui peut potentiellement causer des dommages ou des blessures. Ceci peut être atténué par une technique connue sous le nom de grenaillage 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 l'explosion, ce qui provoque la pénétration de l'onde de choc dans le composant et crée des contraintes résiduelles de compression à mesure que sa zone de propagation s'étend. Ces contraintes améliorent la probabilité de fissuration et d’autres formes de résistance à la fatigue des métaux. Le martelage laser peut prolonger la durée de vie des pièces métalliques d'un facteur 10-15 par rapport aux processus conventionnels.
Le sablage laser est de plus en plus utilisé dans l'industrie aérospatiale. Par exemple, LSP Technologies et Airbus ont développé conjointement un système de grenaillage laser portable qui a été récemment testé et évalué dans les installations de maintenance et de réparation d'Airbus à Toulouse, en France.
Le système de grenaillage laser Leopard prolongera la durée de vie en fatigue en inhibant l'émergence et l'expansion des fissures causées par les contraintes de vibration cycliques. La flexibilité de l’émission du faisceau à fibre optique et l’outillage personnalisé permettent au système de rayonner au laser dans des zones difficiles à atteindre pour les avions. Selon les partenaires, le système constitue une percée dans la technologie de martelage laser qui fera progresser son utilisation, notamment en prolongeant la durée de vie des pales des moteurs à réaction.
Forage laser
Les moteurs d'avion modernes ont environ 500 000 trous, soit environ 100 fois plus que les moteurs construits dans les années 1980. Dans le même temps, les constructeurs aéronautiques produisent un nombre croissant d'autres composants comportant un grand nombre de trous percés pour des connexions rivetées et vissées. Dans le secteur aérospatial, le perçage laser présente donc un grand potentiel de marché car il offre un processus précis, reproductible, rapide et rentable.
Par exemple, de nouveaux systèmes laser femtoseconde de 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 les stabilisateurs d'aile ou de queue. Ces panneaux aspirent l'air à travers de petits trous, ce qui réduit la traînée de friction et diminue la consommation de carburant.
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Les lasers sont de plus en plus utilisés pour percer des trous dans les composants d'avions CFRP (crédit image : Hanover Laser Center)
Le perçage laser étant sans contact, le matériau à traiter n'a pas besoin d'être fixé de la même manière que s'il était traité avec des outils conventionnels. Un autre avantage du sans contact est qu'il n'y a pas d'usure de l'outil, ce qui représente un avantage particulier lors du perçage de composants CFRP. En raison de leur dureté, les composants CFRP peuvent être très abrasifs pour les outils conventionnels. Le perçage au laser peut également être effectué à des vitesses très élevées, de sorte que les dommages excessifs dus à la chaleur n'endommagent pas le matériau à traiter.
La fabrication additive
La fabrication additive laser (FA) connaît également une croissance rapide dans l’industrie aérospatiale. Dans cette technique, un laser fait fondre des couches successives de poudre pour créer des formes. Une société californienne de fusées a même récemment commandé deux 12-imprimantes 3D à faisceau laser pour rendre ses missions spatiales plus rentables et plus efficaces en créant des composants spatiaux plus légers, plus rapides et plus solides.
Même si bon nombre de ces projets sont encore en phase de test, la fabrication additive laser a déjà été utilisée avec succès lors de deux missions sur Mars. Le rover Curiosity de la NASA, qui a atterri en août 2012, a été la première mission sur Mars à transporter des pièces imprimées en 3D. Il s'agit d'un composant en céramique de l'instrument Sample Analysis for Mars (SAM), qui fait partie d'un programme de tests en cours visant à étudier la fiabilité de la technologie de fabrication additive.
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Chambre de combustion bimétallique construite par la NASA avec joints GRCop-42 L-PBF et revêtement Nasa HR-1 LP-DED (Crédit image : NASA)
Pendant ce temps, le rover Perseverance de la NASA, qui a atterri sur Mars en février 2021, contient 11 pièces métalliques fabriquées par fabrication additive laser. Cinq de ces parties se trouvent dans l’instrument planétaire de pétrochimie à rayons X (PIXL) de Perseverance, qui recherche des signes de vie fossile microbienne sur Mars. Ces pièces doivent être si légères qu’elles ne peuvent pas être produites à l’aide des techniques traditionnelles de forgeage, de moulage et de découpe.
La NASA a également expérimenté l’utilisation de la fabrication additive laser pour les composants de fusées. Dans une étude, la chambre de combustion d’un moteur-fusée était constituée d’un alliage de cuivre. Ce développement continu de la fabrication additive laser a abouti à un composant qui peut être fabriqué pour environ la moitié du coût et en un sixième du temps requis pour l'usinage, l'assemblage et l'assemblage conventionnels. Étant donné que les alliages de cuivre utilisés réfléchissent fortement les lasers infrarouges, la NASA étudie actuellement comment les lasers verts ou bleus peuvent améliorer l'efficacité et la productivité.
Même si l’utilisation de la fabrication additive dans l’aérospatiale en est actuellement 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 et nanostructures sur les surfaces des avions grâce à une technique connue sous le nom de motif d'interférence laser direct (DLIP), qui est utilisée pour créer un « effet lotus » naturel qui crée des nanostructures qui aident à prévenir la contamination de la surface. ainsi que l'accumulation de glace sur l'avion.
L'optique innovante divise une puissante impulsion laser ultrarapide en plusieurs faisceaux partiels, qui sont ensuite combinés sur la surface à traiter. Vu au microscope, les microstructures résultantes ressemblent à des « salles » microscopiques de « piliers » ou d’ondulations. La distance entre les "piliers" est comprise entre environ 150 nm et 30 μm - cette structure signifie que les gouttelettes d'eau ne mouillent plus la surface et n'y adhèrent plus car elles n'ont pas suffisamment d'adhérence sur la surface.
Les avantages de ce matériau pour les avions incluent une répulsion accrue de l'eau, de la glace et des insectes. Ceux-ci peuvent adhérer à la surface de l’avion et augmenter la résistance au vent de l’avion, augmentant ainsi la consommation de carburant. L'application de cette texture laser réduirait le besoin de traitements chimiques toxiques actuellement appliqués aux surfaces des avions pour éviter le givrage. Il est connu pour vieillir avec le temps et est susceptible d’être endommagé. De plus, les structures laser produites avec la méthode DLIP peuvent durer des années et ne posent pas de problèmes environnementaux.
Inspection laser et régulation des contraintes
En plus des fonctions ci-dessus, la combinaison du laser et des ultrasons peut être utilisée pour l'inspection et la régulation des contraintes de composants structurels métalliques complexes. L'utilisation d'une action laser pulsée à haute énergie sur la surface de l'objet à tester, la surface des changements de température locaux, ce qui provoque l'objet à tester dans la couche superficielle de dilatation thermique, l'excitation des ultrasons, les ultrasons porteront la surface du matériau et les informations utiles internes, les signaux ultrasonores avec un détecteur à recevoir, le traitement des données et l'analyse de l'objet à examiner afin de déterminer la présence ou l'absence de défauts.
De plus, étant donné que les ultrasons laser ont une résolution temporelle et spatiale élevée, ils peuvent produire une forme d'onde riche, une large bande passante d'ultrasons, etc. Après commutation et réglage des paramètres d'excitation laser, les ultrasons laser peuvent être dans les parties de n'importe quelle partie désignée. pour éliminer toutes les contraintes de traction, dans le cas de ne pas détruire l'intégrité de la surface, sans chauffage, formation d'une certaine épaisseur de couche renforcée par les contraintes de compression. Il est également possible de réguler la valeur de contrainte selon la plage des exigences de conception, ce qui peut optimiser considérablement la résistance à la fatigue et aux fissures de la position locale. Traduit avec www.DeepL.com/Translator (version gratuite)
