【工藝】激光除漆在航空航天領域大顯身手

原標題：【工藝】激光除漆在航空航天領域大顯身手

LR Systems公司的激光除漆移動機器人高52英尺，重量超過10萬磅，臂展可達85英尺，是世界上體型最大的移動機器人之一。它採用全新設計20千瓦二氧化碳激光器的LCR將成為商用航空公司配備的首個全機型機器人激光除漆解決方案。除漆機器人的配置代表美國軍方數十年努力的一座里程碑，使用激光燒蝕代替成本高昂且對環境有害的溶劑、磨料和噴砂進行的航空油漆去除方法。當使用除漆機器人時，激光器能夠輸出在30米距離範圍內精確對準的激光光束以去除微米尺度下的油漆。

圖1. LR System公司為商用客機企業提供的最大型的激光除漆（LCR）系統的模擬圖。

除漆基礎知識

油漆除了豐富了飛機顏色，還增加了飛機的重量。例如，空客公司的雙層寬體四發噴氣客機A380，其外部表面積為4400平方米，並且需要噴塗三層油漆，總重量約為500千克。塗料可以通過使用公司的顏色和標識來增強商業航空公司的市場營銷，或者以偽裝設計的形式為軍用飛機創造戰略優勢。僅僅在已經開始磨損的老油漆層上噴繪能夠使飛機看起來更新，但是代價就是增加了飛機的重量。

傳統的做法是用化學脫漆劑、水鎬、乾燥介質噴砂和手工砂光進行除漆。例如在2007年，俄克拉何馬州廷克空軍基地的美國空軍人員使用了4360加侖的化學油漆和270萬加侖的沖洗液，去除大部分波音KC-135空中加油機的油漆。自20世紀90年代初以來，美國空軍一直在探索替代性的除漆方法。隨著「清潔水法」，「清潔空氣法」和「資源保護和回收法」等聯邦立法的出台，這些法律對排放有害廢水、排放有害空氣污染物和處置噴繪油漆有關的廢棄物的要求越來越迫切。

使用不同方法去除油漆產生的廢料重量各不相同，通過介質噴射將生產約4磅固體廢物，通過使用溶劑將產生9磅固體廢物與165磅廢液。根據加利福尼亞州聖何塞的國防承包商Lasertronics公司的說法，用激光剝離的方法只會產生大約半磅的固體廢物，而安裝激光的自動旋翼剝離系統（ARBSS）則是用來去除海軍直升機旋翼槳葉上的油漆（圖2）。

圖2. General Lasertronics公司使用Nd：YAG激光器去除CH-53重型運輸直升機的油漆。

激光器需求

20世紀90年代中期，Lasertronics公司首次推出除漆系統時，採用了二氧化碳激光器。該公司使用這種技術直到2000年左右，當時它被莫斯科聖查爾斯的諾斯羅普?格魯曼公司生產的Nd：YAG激光器所取代。Lasertronics公司的業務發展總監Jim Russell表示：「Nd：YAG激光器的柔性光纖光束傳輸系統能夠進入飛機上的角落和縫隙，例如內部機翼油箱」。儘管該公司的客戶對Nd：YAG激光器感到滿意，但他們認為其技術停機時間過長，而且需要昂貴的維護費用。因此，Lasertronics公司在2014年開始使用來自馬薩諸塞州牛津的IPG Photonics公司開發的光纖激光器。Russell表示：「IPG公司的光纖激光器已被證明是非常強大的並且操作十分方便。隨著激光器價格的不斷下降，我們設想很多行業的塗層去除工作將由激光除漆系統接管。」

IPG公司並未忽視激光除漆市場。IPG董事長兼首席執行官Valentin Gapontsev在2015年4月的一次電話會議上指出：「用于飛機和船舶的高效除漆系統的需求量很大，公司的長期規劃是從初期研製到大規模部署並且在IPG光纖激光器領域佔據領導地位。」2016年2月，他又在一次電話會議上表示，航空航天領域的激光清洗，是IPG公司的主要增長領域。該公司的「獨創的千瓦級納秒級光纖激光器正開始改變這個龐大市場的局面」。

Lasertronics公司並不是唯一一家從研製生產二氧化碳激光器轉行到研發機器人除漆系統的公司。位於美國賓夕法尼亞州約翰斯敦的Concurrent Technologies公司，也將IPG光纖激光器用於美國空軍使用的先進機器人激光塗層去除系統（ARLCRS）。然而，LR Systems公司仍然使用的是二氧化碳激光器。實際上，通快公司的二氧化碳激光器被認為是其機器人系統中最大的激光除漆產品。西南研究院的Flannigan表示，這種激光器特別擅長去除商業飛機上普遍使用的清漆和白色外漆等難以去除的塗層。

白色塗料往往是具有高反射率、低固相的塗料，例如清漆和底漆往往具有很高的透光性。這兩種特點都對油漆剝離效率和襯底溫度有負面影響。Flannigan表示：「10.6微米的二氧化碳激光器發出的波長會被大多數油漆吸收，因此清除油漆的能量比加熱基材或環境要多。」

脈衝激光器的高峰值功率能夠幫助克服連續激光器短波長所帶來的限制，Flannigan表示，油漆剝離速率大致與激光平均功率成正比。這使得難以安全地輸出高平均功率的脈衝激光而不使基板過熱。

位於俄亥俄州的賴特帕特森空軍基地空軍裝備司令部的後勤、土木工程和部隊保護局副局長Tom Nugay表示：「二氧化碳激光器的問題在於需要使用反射鏡在飛機周圍操縱激光光束，而這些反射鏡需要保持彼此對準，這是一項非常艱巨的任務。此外，運行和維護光纖的成本遠遠低於二氧化碳激光器系統。」

軍事應用：為噴氣式飛機除漆

近年來，激光除漆系統在美國空軍基地獲得了巨大的成功，特別是2008年在廷克空軍基地的KC-135零件上展示了機器人激光塗層去除系統（RLCRS）。RLCRS是Concurrent公司為空軍開發的一系列機器人系統之一。一年後，該公司在猶他州希爾空軍基地建造並安裝了激光自動除漆系統II型（LADS II）。美國空軍使用這種裝備德國羅芬西納公司生產的二氧化碳激光器的機器人系統去除通用動力公司生產的F-16戰鬥機機身上的油漆。

2015年6月，Concurrent公司和卡內基梅隆大學在匹茲堡的國家機器人技術工程中心開發並運送到猶他州空軍基地的兩台ARLCRS（圖3）。與LADS II型不同的是，ARLCRS是半自動的，每個機器人都配有IPG的光纖激光器。這兩台系統共包含有六個機器人，首席工程師Mary Bush表示，兩個機器人將被保留用於為F-16除漆，其餘四個用為於洛克希德馬丁公司的C-130貨機除漆。根據Nugay的說法，ARLCRS縮短了50％的除漆時間，F-16的除漆時間從7天縮短到3天，C-130的除漆時間從10天縮短到5天。

圖3.由Concurrent Technologies公司和美國國家機器人工程中心開發的機器人激光塗層去除系統（ARLCRS），用於為F-16戰鬥機去除油漆。

Bush表示：「ARLCRS是唯一一種已經完成開發與生產的半自動機器人激光除漆系統。這項技術適用於商業航空公司和其他航空航天工業的激光除漆任務。」

ARLCRS的正常生產將從為希爾空軍基地的F-16提供第一台機器人系統開始，預計將在2017年第一季度在該基地的C-130飛機上開始進行除漆（圖4）。美國空軍還計劃在2017財年在喬治亞州的羅賓斯空軍基地建造下一代ARLCRS。Nugay認為，根據飛機的規模，除漆系統的成本將維持在500萬美元到700萬美元之間。

圖4.為猶他州希爾空軍基地F-16除漆的先進機器人激光除漆系統可將飛機油漆層清除至底漆層。圖片來源：美國空軍/Alex R. Lloyd。

Nugay表示：「我們相信激光技術對於從航空航天工業中使用的複合材料，以及鋁和鋼材上去除塗料非常有吸引力。另外，對於每架F-16來說，廢物處理總量減少了99％，減少了2000磅危險廢物，並且沒有使用有害物質，個人防護設備和控制室工作環境成本也降至最低。這就是我們為什麼要追求這個目標的原因。」

軍事應用：為直升機旋翼除漆

2009年，Lasertronics公司還在北卡羅來納州的海軍陸戰隊切里波因特空軍基地安裝了自動旋翼除漆系統，從西科斯基CH-53E重型直升機的玻璃纖維複合材料旋翼上去除油漆。激光系統已經大大減少了除漆過程中損壞部件的廢料量，比手動旋轉磨砂機的磨損率降低超過10％，這對於除漆成本而言是十分重要的，因為每個旋翼長約38英尺，成本約為12萬美元。

Lasertronics公司聯合創始人兼營銷傳播副總裁Ralph Miller認為這是一項非破壞性的技術。Lasertronics公司正在使用來自美國佛羅里達州奧蘭多市的Lee激光公司生產的400W激光器替代美國激光公司生產的ARBSS Nd：YAG激光器。升級完成後，海軍航空系統司令部計劃擴展ARBSS計划到波音V-22魚鷹戰鬥機。Lasertonics公司的Russell認為，位於切里波因特空軍基地的西科斯基H-60黑鷹直升機的旋翼也將使用新型激光除漆系統。

Russell表示，旋翼葉片通常在除漆的同時也需要進行維護，而且由於除漆和補漆過程中出現的不均勻性會導致旋翼的平衡問題。Lasertronics公司也在探索從波音公司生產的阿帕奇直升機旋翼葉片上去除接觸腐蝕防護塗層的技術。Lasertronics公司生產的手持式激光系統也被用於從費爾柴爾德公司A-10 Thunderbolt飛機的中央機翼油箱中去除密封膠，該系統表現出極高的工作效率。

未來商業應用：為商業客機除漆

儘管已經在軍用飛機上擁有如此多的進展，但Russell表示，激光除漆系統部署計劃的持續開展已經被2013年美國國防部出台的聯邦預算削減計劃阻礙。對於Lasertronics公司而言，在商業航空公司部署激光除漆系統的進展也慢得多，特別是在該公司成為2010年唯一一家獲得美國聯邦航空管理局批准的激光除漆公司之後。Russell表示，該機構的批准非常重要，因為商業飛機維修和檢修提供商一般都不願採用激光除漆技術，因為該技術並未包含在OEM服務手冊中。而一旦手冊中內容發生改變，很多事情就會很快發生。

商業客機除漆的應用前景

上述情況並不是意味著商業客機公司不願意接受激光除漆技術。例如，自從二十一世紀初以來，空中客車公司就使用了美國堪薩斯城的Adapt Laser Systems公司生產的激光器來去除電子焊接接觸的油漆。Adapt公司已經有大約30台激光器用於航空器油漆去除任務，其中包括幾台光纖激光器用於在希爾空軍基地的F-16和C-130上進行小面積油漆清除。據Adapt公司總裁Georg Heidelmann介紹，2015年洛克希德馬丁公司還批准了一種Adapt激光器，用於清除F-35多用途隱形戰鬥機中金屬結構粘合區域的托板螺帽的塗層。他非常樂觀地認為，激光將在不久的將來用于軍用和商用飛機的全身除漆。

在波音公司，化學與粘合劑技術高級技術人員Kay Blohowiak表示：「繼續研究新技術以改進我們的製造工藝，包括使用激光代替化學品或者手工砂光工藝從飛機結構中去除油漆，以及飛機表面清潔和準備噴繪等。將激光除漆從實驗室規模轉換到商業生產規模是我們正在進行研究的重點。「

視覺系統助力除漆技術

為了平衡飛機的外觀美感和重量，飛機製造商通常在其飛機上塗上一層薄薄的油漆。雖然從工廠生產出來的飛機上可能塗有高達5密耳厚的油漆，但是對於長期運行並且經常發生碰撞的飛機來說，油漆厚度可能高達20密耳。為了精確地從飛機上去除這些薄薄的油漆層，有時候不用打底漆，也不會損壞下面的鋁或複合材料，機器人激光除漆系統依靠的是各種光學和激光感測器。

但是，並不是所有的機器人都會以相同的方式去除油漆，因為它們採用了不同的高速視覺系統。下面簡要介紹LR Systems公司的激光塗層去除系統（LCR）、Lasertronics公司的自動旋翼除漆系統（ARBSS）、Concurrent Technologies公司和國家機器人工程中心的高級機器人激光塗層去除系統（ARLCRS）使用的多種視覺系統。

來源：HPLSElaser

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