Статья

Лазерная установка очищает от краски полноразмерный самолет

Краска и другие покрытия на само­летах служат самым разным задачам, включая защиту от коррозии, повы­шение устой­чи­вости к эрозии, маски­ровке, защиту от радаров, а также корпо­ра­тив­ного брэн­динга. Вне зави­си­мости от назна­чения эти покрытия время от времени требуют замены – и, порой, доста­точно часто, но в основном каждые 5–8 лет. В насто­ящее время доми­ни­ру­ющим методом по удалению краски на военных и коммер­че­ских само­летах явля­ется хими­че­ская очистка, которая сопро­вож­да­ется рядом нега­тивных эффектов. Техно­логия лазерной очистки стано­вится надежной, эконо­мичной и эколо­гичной альтер­на­тивой.

Предпосылки.

Более 35-ти лет назад коман­до­вание тыла военно-воздушных сил Соеди­нённых Штатов Америки начало иссле­до­вание в области альтер­на­тивы для хими­че­ского и меха­ни­че­ского удаления краски с фюзе­ляжей военных само­летов. Пере­чень нега­тивных факторов, сопро­вож­да­ющих хими­че­скую очистку, вклю­чает:

  1. требование защиты чувствительных участков фюзеляжа перед применением растворителей;
  2. требование к защите персонала, работающего с реагентами;
  3. большой объем воды, необходимый для удаления растворителей с самолета;
  4. значительное увеличение объема опасных загрязнений;
  5. попадание шестивалентного хрома в отходы;
  6. воздействие химически опасных веществ на персонал;
  7. невозможность применения на крыльях в силу негативного химического воздействия;
  8. необходимость удаления масок, наносимых перед очисткой;
  9. стоимость фильтрации вредных отходов.

Меха­ни­че­ская песко­струйная очистка на чувстви­тельных элементах крыльев, сопро­вож­да­ется другим набором проблем, вклю­ча­ющих трав­ма­тизм для опера­тора, нега­тивное воздей­ствие шести­ва­лент­ного хрома, потен­ци­альная возмож­ность повре­ждения крыла лета­тель­ного аппа­рата, а также небольшое коли­че­ство квали­фи­ци­ро­ванных опера­торов.

Неуди­ви­тельно, что альтер­на­тиву этим методам искали на протя­жении многих лет. Уже в 1980 ВВС США зани­ма­лись изуче­нием Буду­щего в методах удаления краски с само­лётов [1], уделяя особое внимание техно­логии лазер­ного удаления краски. В конце 1980-х появ­ля­ется шквал работ, поддер­жи­ва­емых ВВС США, по подбору типа лазера и способу воздей­ствия для решения этой проблемы.

Сегодня, спустя три деся­ти­летия и много милли­онов долларов в научных иссле­до­ва­ниях, лазерное удаление краски стано­вится заслу­жи­ва­ющим доверия реше­нием для замены опасных, недру­же­ственных для окру­жа­ющей среды, хими­че­ских и меха­ни­че­ских методов очистки, доми­ни­ру­ющих в области удаления лако­кра­сочных покрытий с само­летов. И, что удиви­тельно, наибольшая иници­а­тива по лазерной очистке поверх­ности исходит от част­ного бизнеса.

Процесс лазерного удаления краски.

Удаление краски при помощи лазера обычно описы­ва­ется как процесс «абляции», но более точно он описы­ва­ется как «испа­рение» и следу­ющее с этим выжи­гание краски. Для предот­вра­щения терми­че­ского повре­ждения поверх­ности лета­тель­ного аппа­рата энергия лазер­ного излу­чения должна воздей­ство­вать в течение корот­кого времени, либо за счет подачи импульс­ного лазер­ного излу­чения, либо скани­ро­ва­нием лазер­ного излу­чения по окра­шенной поверх­ности. В любом случае, покры­ва­ющий слой краски нагре­ва­ется с после­ду­ющим испа­ре­нием, сопро­вож­да­емым горе­нием частиц, оторванных от поверх­ности и взаи­мо­дей­ству­ющих с кисло­родом в атмо­сфере. Нагрев от такого сгорания может оказаться в несколько раз выше, чем непо­сред­ственно от лазер­ного излу­чения, поэтому эффек­тивное удаление этого тепло­вого воздей­ствия имеет важное значение для безопас­ности процесса.

Все краски по-разному погло­щают лазерное излу­чение и так же отли­ча­ется воздей­ствие различных длин волн лазер­ного излу­чения на одну и ту же краску. На рисунке ниже пока­заны два вида взаи­мо­дей­ствия энергии лазер­ного излу­чения (твер­до­тельных - 1 мкм и CO2 – 10,6 мкм) при погло­щении краской. Если краска состоит из прозрачной смолы с темным пигментом, что харак­терно для серой военной краски, то излу­чение с длинной волны 1 мкм проходит сквозь нее, погло­щаясь темным пигментом. Этот процесс может быть очень эффек­тивен. Однако если краска белая, то частицы пигмента в меньшей степени погло­щают лазерное излу­чение, что приводит к падению произ­во­ди­тель­ности процесса. С другой стороны, излу­чение газо­вого лазера способно эффек­тивно удалять краски любых цветов , так как излу­чение погло­ща­ется в верхнем слое краски, не проходя через всю толщу. Эта особен­ность CO2 лазеров стано­вится важной при необ­хо­ди­мости удаления грунта – операции, довольно сложной для выпол­нения излу­че­нием с длинной волны 1 мкм.


Поглощение лазерного излучения 1 мкм в толще краски (слева) против поглощения излучения 10,6 мкм в поверхностном слое (справа).

Эффек­тив­ность удаления краски изме­ря­ется в объеме удаленной краски к энергии излу­чения направ­лен­ного на ее удаление и опре­де­ля­ется единицей:

мм2/кВт⋅мин

Эта харак­те­ри­стика (наряду с мощно­стью лазера) чрез­вы­чайно важна для пони­мания произ­во­ди­тель­ности, тепловой нагрузки на деталь и себе­сто­и­мости процесса. Ниже приве­дены значения для различных типов лазеров при работе с различ­ными крас­ками.


Эффективность удаления красок различными типами лазеров.

Работа с излучением.

При доставке лазер­ного излу­чения в зону обра­ботки суще­ствует ряд основных моментов. Первое требо­вание заклю­ча­ется в необ­хо­ди­мости доставки излу­чения с поверх­ности земли до скана­тора, распо­ло­жен­ного на конце робота-мани­пу­ля­тора, опери­ру­ю­щего по всей высоте само­лета. Подобную задачу по транс­пор­ти­ровке излу­чения наиболее просто решить при помощи воло­конной доставки. Тем не менее, большая часть само­летов окра­ши­ва­ется свет­лыми цветами, и очевидно, что процесс должен сохра­нять свою эффек­тив­ность и при работе с ними. Кроме того, воло­конные лазеры с моду­ля­цией на сего­дняшний день обла­дают меньшей мощно­стью, нежели CO2, лазеры доступные на рынке, а также не могут пере­да­вать излу­чение по длинным воло­конным кабелям.

Таким образом, 10,6 мкм CO2 лазер – это очевидный выбор. Но с другой стороны, пере­дача излу­чения на десятки метров ставит множе­ство требо­ваний, в том числе круговой поля­ри­зации, колли­мации излу­чения при прохож­дении больших отрезков, защиты каналов (от пыли и аэро­золей), подстройки поло­жения луча из-за коле­баний робота-мани­пу­ля­тора и его плат­фомы.

К счастью, была разра­бо­тана и запа­тен­то­вана система авто­ма­ти­че­ского вырав­ни­вания пучка, позво­ля­ющая достав­лять излу­чение мощно­стью до 30 кВт через 12 зеркал к следу­ю­щему элементу – сканеру. Эта важная система была разра­бо­тана EWI в каче­стве альтер­на­тивы галь­ва­но­мет­ри­че­ским скана­торам, обла­да­ющим неко­то­рыми огра­ни­че­ниями. Срав­ни­тельным преиму­ще­ствами поли­гон­ного скана­тора явля­ются:

  1. возмож­ность работы с различ­ными длинами волн лазер­ного излу­чения мощно­стью до 30кВт;
  2. большей скоро­стью и равно­мер­но­стью пере­ме­щения луча;
  3. меньшей высотой факела и более эффек­тивным сжига­нием отходов;
  4. меньший нагрев зоны обра­ботки и лучшего обзора для контроля за процессом;
  5. воздушная заслонка, исклю­ча­ющая необ­хо­ди­мость исполь­зо­вания защит­ного стекла;
  6. наибольшие эффек­тив­ность и произ­во­ди­тель­ность из когда-либо анон­си­ро­ванных.


Запатентованная система полигонного сканатора с подстройкой положения луча.

У поли­гон­ного скана­тора всего одна подвижная часть – полигон. Непо­движные зеркала имеют водяное охла­ждение, а сам полигон – воздушное. Типовые значения скорости скани­ро­вания 45 м/с, а последние модели обес­пе­чи­вают зону обра­ботки шириной в 300 мм. Скорость пере­ме­щения самой системы скани­ро­вания 100–200+ мм/с. Она осна­щена запа­тен­то­ванной системой наблю­дения, которая контро­ли­рует цвет и поло­жение поверх­ности перед обра­боткой, а также после нее. И наконец система удаления отходов для улуч­шения види­мости и предот­вра­щения загряз­нения окру­жа­ющей среды. Лазерная очистка от краски явля­ется един­ственным процессом, снижа­ющим объем опасных выбросов в окру­жа­ющую среду.

В процессе работы.

Несмотря на впечат­ление, которое созда­ется внутри, коммер­че­ские само­леты доста­точно велики. Длина Аэро­буса А380 состав­ляет 73 м при высоте в 24,1 м от земли, при этом площадь его окра­шенной поверх­ности состав­ляет около 4000 м2. Мани­пу­ли­ро­вание скани­ру­ющей системой и снятие краски на объекте такого размера требует от робота-мани­пу­ля­тора девяти степеней свободы отно­си­тельно любого поло­жения, а также еще две степени свободы для пере­ме­щения плат­формы с роботом по ангару, вокруг само­лета. Подобная задача явля­ется серьезным вызовом, учитывая, что робот и его осно­вание должны быть доста­точно боль­шими, чтобы дости­гать всех поверх­но­стей само­лета и при этом пере­во­зить на себе массивный 20–30 кВт лазер от TRUMPF.


Мобильная установка LR Systems для удаления краски.

Мобильный робот для очистки поверх­ности оснащен множе­ством сенсоров, программных и меха­ни­че­ских систем, обес­пе­чи­ва­ющих работу и безопас­ность, а также выпол­нение множе­ства задач, таких как:

  1. пред­ва­ри­тельное програм­ми­ро­вание инфор­мации о поверх­ности само­лета;
  2. точное распо­ло­жение само­лета в ангаре;
  3. плат­форма для пере­ме­щения робота по ангару;
  4. системы безопас­ности персо­нала на подвижных осях мани­пу­ля­тора;
  5. контроль простран­ства для исклю­чения столк­но­вения робота с само­летом;
  6. профи­ле­метрия фюзе­ляжа;
  7. темпе­ра­турный режим фюзе­ляжа;
  8. контроль в реальном времени за пере­кры­тием и толщиной слоя краски;
  9. множе­ственные программные системы безопас­ности.

Задачи, стоящие перед программным обес­пе­че­нием, продик­то­ванные требо­ва­ниями безопас­ности, в допол­нение с контролем движения робота, лазера, сканера и систем подстройки луча – обес­ку­ра­жи­вают. К счастью, команда разра­бот­чиков в Юго-Западном научно-иссле­до­ва­тель­ском инсти­туте имела обширный опыт в разра­ботке и реали­зации круп­но­мас­штабных роботов-мани­пу­ля­торов для очистки само­летов песко­струй­ными уста­нов­ками.

Подводя итоги.

Лазерная очистка поверх­ности пред­ла­гает эконо­ми­чески эффек­тивную альтер­на­тиву опасным, эколо­ги­чески недру­же­любным методам очистки само­летов от краски. Система, описанная выше, затме­вает все преды­дущие усилия по эффек­тив­ности и возмож­но­стям обра­ботки широ­кого диапа­зона размеров воздушных судов. Также суще­ствует множе­ство других потен­ци­альных обла­стей приме­нения, таких как аэро­кос­ми­че­ская отрасль, транс­порт, кораб­ле­стро­ение и обще­ственная инфра­струк­тура.


Подготовлено по материалам:
Stan Ream – Laser system strips paint from full-size aircraft [ILS]

Ссылки:
[1] THE FUTURE OF AIRCRAFT PAINT REMOVAL METHODS

Мобильная установка для
лазерной очистки поверхности