自飞行初期以来，航空航天业一直在推动创新。摆脱重力、在海洋上空翱翔或超越声音的速度有很多要求。它需要研究、远见、信心和巧思，致力于解决问题和预防风险。这种心态已经代表了几代人的航空理念，而人类最伟大的进步来自于我们征服云层的努力。
得益于航空航天工程师的专注工作，软件、电子、材料和医学方面都取得了巨大的飞跃。航空航天领域没有“足够好”这一说法。没有安于现状。这是一个不断进步、提升和研究的行业，我们致力于让飞机更加安全和高效。
在ZAL应用航空研究中心，这种创新方法为航空航天业的未来奠定了基础。ZAL TechCenter位于德国汉堡，处于世界上最大的航天航空业集聚中心之一，其目前正在寻找作为下一代航空航天研究中心的羽翼。
ZAL是一种将不同行业和研究机构领导者聚集在一起的合作关系。主要股东和参与者包括航空业巨头Airbus和Lufthansa Technik，德国航空太空中心等创新引擎以及一些有声望的大学和前途无量的创业公司。
这打造出一个丰富的开放式创新环境，在这里行业巨头与中小型企业(SME)携手合作，加速新技术的产业化。ZAL围绕三个能力中心(CoC)构建：飞机制造和MRO、机舱和系统以及数字化技术。
每个CoC都配备了强大的先进设备和基础设施，使研究人员可以使用各种高科技实验室和试验台。在研究人员为下一代飞机创新增强功能进行合作的过程中，虚拟现实、增材制造和集成机器人都发挥了重要作用。
现在，通过安装高重复率激光喷丸系统，ZAL为其CoC飞机制造和MRO增加了一个用于成型和增强高价值的飞机零件的强大新工具。

更强的金属打造更安全的飞机

航空航天工程是材料增强创新的天然滋生地。动力飞行对零件的温度、压力和应力极限提出了严格的要求。我们可以让它更强吗？更轻？更耐用？我们如何超越材料的限制？
激光冲击喷丸强化(LSP)在航空领域有着深远的影响，首次商业LSP应用由美国空军在Rockwell B-1 Lancer上实现。在20世纪90年代，由于与异物损坏相关的裂缝，B-1发动机中的风扇叶片发生故障。美国空军发现，钛叶片受影响区域周围的激光喷丸可以防止裂纹扩展并显着延长叶片寿命。在接下来的几年里，随着发动机制造商Rolls Royce和GE Aviation将LSP应用于高价值发动机部件，激光喷丸应用蓬勃发展。应用已经扩展到包括起落架、舱壁、翼形凸耳和其他关键飞机结构。
激光喷丸利用高能量短时激光脉冲产生深残余压应力。激光在零件表面产生高压等离子爆发，快速的压力上升会在目标材料深处发出冲击波。冲击波使金属塑性变形，留下强韧的残余压应力层，通过抑制裂纹扩展来改善疲劳寿命和损伤容限。
激光喷丸通常会产生比喷丸强度高十倍的残余压应力。这是一种精密应用，专门针对易开裂部件的高应力位置。激光喷丸强化可以为几乎任何应用定制，为每种金属和负载场景配备专门的激光参数配方。这种多功能性意味着研究人员只触及了潜在航空航天应用的表面，ZAL的大部分LSP工作都将针对航空航天材料和部件改进。

发展制造业的高科技方法

ZAL的研究人员旨在通过研究以下三个特定的感兴趣领域来扩展激光喷丸知识和理解：
1. 疲劳和损伤容限：激光喷丸在防止裂纹萌生和减缓现有裂纹扩展方面都显示出显着的价值。这意味着部件使用寿命更加长久，并且更加耐损坏。由于改善部件耐久性的许多潜在好处，ZAL研究人员将密切关注用于提高各类航天构件疲劳寿命和损坏公差的新方法和新应用。激光喷丸给工程技术人员们提供了一个工具，让他们能设计出效率更高的零件，贯彻执行更经济有效的维护、维修、运营活动。激光喷丸技术的突破性的成功让ZAL可以提高全球飞机的服务寿命，并且在飞机的生命周期的各个环节增长维修间隔时间。
2. 激光喷丸成型：由于激光喷丸可实现强大的应力增强，该工艺可以通过诱导塑性应变来定制以形成或塑造金属部件。这种精密成形方法可以提供复杂的曲率，同时提高零件的抗疲劳性。在过去的十年中，激光喷丸成型已被用于为波音747飞机塑造空气动力学机翼蒙皮。现在，ZAL研究人员将研究新策略，以使用激光喷丸成形金属飞机部件和纠正制造零件扭曲。这将改善部件的完整性并减少必须报废的不合格部件数量。
3. 工业化：ZAL的核心焦点是工业4.0概念。这种新兴的制造理念集成了自动化和数字化，以提高“智能”生产设施的流程效率。开发新的激光喷丸应用将有助于ZAL研究人员更好地理解工业4.0框架下的现代工业化概念。激光喷丸是一种高度可控的工艺，可以精细定制，以优化每个激光脉冲。每个处理顺序都需要激光器和机器人之间的精确协调，并能够产生大量可实时评估的诊断数据。通过探索数据驱动自动激光喷丸的新技术，ZAL究人员可以将这些概念转化为改进的工业化实践，从而提高航空航天及其他领域的制造能力。

研究环境中的生产设备

系统工程师David Osman Busse是ZAL研究激光喷丸的主要参与者之一。Busse博士以航空工程和材料科学的背景来到ZAL，并且他的博士论文正是“用激光喷丸延长飞机机身结构的疲劳寿命”。Busse博士熟知激光喷丸的行业优势，并且对于更广泛地应用该技术非常感兴趣。
“经过近四年的学术研究和开发激光喷丸应用，我很高兴能成为ZAL LSP团队的一员。”他说道。“学术研究和应用技术之间的协同作用是ZAL使命核心，这一点也体现在我们新的激光喷丸设施设计中。”
位于汉堡的ZAL TechCenter LSP设施包括用于激光传输、零件处理和系统控制的集成模块。其核心是LSP技术的二极管泵浦Procudo®激光喷丸系统，加工需要在260立方米的喷丸池中进行。该设置使研究人员能够在研究环境中使用真正的生产系统，并且Busse博士也强调了它所提供的高级功能。
“得益于喷丸电池的尺寸、机器人的负载能力以及激光系统的高重复率，我们现在能够有效地处理工业规模的零件。”Busse博士说。“这使我们能够开发出超越学术研究的激光喷丸真实应用。我们希望这些创新能够在未来几年内应用到真实的飞机上。”
这又回到了ZAL的核心使命：加速新技术向大规模工业化迈进。这不仅仅关于激光喷丸对于一个零件或一架飞机的作用的问题，这将是一种有益于整个行业的改进制造方法。“这是包括我在内的很多R&T工程师的梦想。”Busse博士解释道。“我们现在正在展现激光喷丸的能力，我们的行业合作伙伴可以将ZAL的经验教训直接应用到他们的制造和MRO设施中。”

无模具密成型

航空航天制造商特别感兴趣的是激光喷丸成型以产生复杂曲率的能力。“大型部件精密加工是航空航天领域的一项持久挑战。”Busse博士解释道。“机身面板和机翼盖等结构部件需要非常严格的生产公差，而激光喷丸成型技术可提供灵活的无模具技术，以减少其制造过程中的变化。”
激光喷丸成型利用受控塑性应变的力量来塑造和成形部件。工程师使用分析工具对激光喷丸施加的应力分布进行建模，并预测材料的几何响应。这样可实现转化为大量独特曲率和形状的精确可扩展预测。
“激光喷丸可实现重复性非常好的应力场。”Busse博士解释道。“这种工艺可以可靠地进行定制，以在大型部件中产生整体变形并形成几乎任何形状。”
激光喷丸成形与拉伸成形等传统技术相比具有明显的优势，因为它可以在不需要专用模具的情况下生产几乎任何所需形状。激光喷丸成形可用于成形任何金属材料厚板，并且远远超出喷丸成形能力，因为其可使金属产生更大的变形。
这些功能使制造商能够在精确公差范围内成形大型组件，并纠正不合格零件扭曲。同时，激光喷丸成型部件保留了与残余压应力相关的材料优势，使其不易破裂和损坏。其他成形方法会将拉伸应力引入零件表面，这会导致材料随时间退化。激光喷丸成型可提供精确的部件形状，同时提高部件的强度和耐用性。
ZAL TechCenter的Procudo®激光喷丸系统已经开始LSP研究。随着业务增加，整个欧洲的制造商都可以使用系统时间来开发新的激光喷丸应用，以改善抗裂性、损伤容限和精密无模成形。ZAL的经验教训将为改善全球多个行业的金属表面增强和制造技术做出很大贡献。

LSP Technologies, Inc.
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