圖1. LR System公司為商用客機企業(yè)提供的最大型的激光除漆（LCR）系統(tǒng)的模擬圖。圖片來源：LR Systems公司。
在美國德克薩斯州圣安東尼奧的西南研究所（SwRI）的機器人技術和自動化工程助理Clay Flannigan表示：“大型除漆機器人的開發(fā)得益于許多因素共同作用的結果，包括機器人技術的進步，成本更低、性能更優(yōu)異的激光器，更重視過程的可持續(xù)性和健康效益以及私人投資。迄今為止，美國國防部資助了大部分工藝開發(fā)過程，而我們現(xiàn)在才開始看到該技術的商業(yè)化前景。”
盡管激光除漆技術最初發(fā)源自荷蘭，但這一技術的發(fā)展是大西洋兩岸合作伙伴共同參與的成果。美國西南研究所是該項目機器人開發(fā)的主要承包商，其中包括一臺用于實時控制激光功率的高速機器視覺系統(tǒng)，用于選擇性剝離油漆層。位于俄亥俄州哥倫布的愛迪生焊接研究所提供了一臺多邊形激光掃描儀，它將把激光聚焦并掃過飛機的表面。二氧化碳激光器由通快荷蘭公司開發(fā)。LR Systems還與荷蘭的國家航空航天實驗室和荷蘭航空航天實驗室合作，協(xié)助美國聯(lián)邦航空管理局和歐洲航空安全局進行資格審查。
LR Systems將新加坡航空公司列為第一批潛在客戶。該航空公司的子公司新加坡航空工程公司已經與LR Systems公司達成諒解備忘錄，為其通過OEM資格和認證程序提供支持。
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(fā)噴氣客機A380，其外部表面積為4400平方米，并且需要噴涂三層油漆，總重量約為500千克。涂料可以通過使用公司的顏色和標識來增強商業(yè)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(chuàng)造戰(zhàn)略優(yōu)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。
LR Systems公司項目主管Peter Boeijink表示：“每隔五六年，一架飛機的油漆層就會被剝離并重新著色，以修復表面的損傷并重新涂漆，以防止油漆需要更換時腐蝕飛機。”
傳統(tǒng)的做法是用化學脫漆劑、水鎬、干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(lián)邦立法的出臺，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。根據加利福尼亞州圣何塞的國防承包商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(tǒng)（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。圖片來源：美國西科斯基公司。
激光器需求
20世紀90年代中期，Lasertronics公司首次推出除漆系統(tǒng)時，采用了二氧化碳激光器。該公司使用這種技術直到2000年左右，當時它被莫斯科圣查爾斯的諾斯羅普•格魯曼公司生產的Nd：YAG激光器所取代。Lasertronics公司的業(yè)務發(fā)展總監(jiān)Jim Russell表示：“Nd：YAG激光器的柔性光纖光束傳輸系統(tǒng)能夠進入飛機上的角落和縫隙，例如內部機翼油箱”。盡管該公司的客戶對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(fā)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并且操作十分方便。隨著激光器價格的不斷下降，我們設想很多行業(yè)的涂層去除工作將由激光除漆系統(tǒng)接管。”
IPG公司并未忽視激光除漆市場。IPG董事長兼首席執(zhí)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(tǒng)的需求量很大，公司的長期規(guī)劃是從初期研制到大規(guī)模部署并且在IPG光纖激光器領域占據領導地位。”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(chuàng)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公司并不是唯一一家從研制生產二氧化碳激光器轉行到研發(fā)機器人除漆系統(tǒng)的公司。位于美國賓夕法尼亞州約翰斯敦的Concurrent Technologies公司，也將IPG光纖激光器用于美國空軍使用的先進機器人激光涂層去除系統(tǒng)（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(tǒng)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(yè)飛機上普遍使用的清漆和白色外漆等難以去除的涂層。
白色涂料往往是具有高反射率、低固相的涂料，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(fā)出的波長會被大多數(shù)油漆吸收，因此清除油漆的能量比加熱基材或環(huán)境要多。”
脈沖激光器的高峰值功率能夠幫助克服連續(xù)激光器短波長所帶來的限制，F(xiàn)lannigan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沖激光而不使基板過熱。
位于俄亥俄州的賴特帕特森空軍基地空軍裝備司令部的后勤、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于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于二氧化碳激光器系統(tǒng)。”
軍事應用：為噴氣式飛機除漆
近年來，激光除漆系統(tǒng)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涂層去除系統(tǒng)（RLCRS）。RLCRS是Concurrent公司為空軍開發(fā)的一系列機器人系統(tǒng)之一。一年后，該公司在猶他州希爾空軍基地建造并安裝了激光自動除漆系統(tǒng)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(tǒng)去除通用動力公司生產的F-16戰(zhàn)斗機機身上的油漆。
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(fā)并運送到猶他州空軍基地的兩臺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。這兩臺系統(tǒng)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于為F-16除漆，其余四個用為于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(xiàn)-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(fā)的兩套先進的機器人激光涂層去除系統(tǒng)（ARLCRS），用于為F-16戰(zhàn)斗機去除油漆。圖片來源：Concurrent Technologies公司。
Bush表示：“ARLCRS是唯一一種已經完成開發(fā)與生產的半自動機器人激光除漆系統(tǒng)。這項技術適用于商業(yè)航空公司和其他航空航天工業(yè)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提供第一臺機器人系統(tǒng)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財年在佐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(guī)模，除漆系統(tǒng)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(tǒng)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于從航空航天工業(yè)中使用的復合材料，以及鋁和鋼材上去除涂料非常有吸引力。另外，對于每架F-16來說，廢物處理總量減少了99％，減少了2000磅危險廢物，并且沒有使用有害物質，個人防護設備和控制室工作環(huán)境成本也降至最低。這就是我們?yōu)槭裁匆非筮@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(zhàn)隊切里波因特空軍基地安裝了自動旋翼除漆系統(tǒng)，從西科斯基CH-53E重型直升機的玻璃纖維復合材料旋翼上去除油漆。激光系統(tǒng)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％，這對于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(lián)合創(chuàng)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。升級完成后，海軍航空系統(tǒng)司令部計劃擴展ARBSS計劃到波音V-22魚鷹戰(zhàn)斗機。Lasertonics公司的Russell認為，位于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(tǒng)。
Russell表示，旋翼葉片通常在除漆的同時也需要進行維護，而且由于除漆和補漆過程中出現(xiàn)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涂層的技術。Lasertronics公司生產的手持式激光系統(tǒng)也被用于從費爾柴爾德公司A-10 Thunderbolt飛機的中央機翼油箱中去除密封膠，該系統(tǒng)表現(xiàn)出極高的工作效率。
未來商業(yè)應用：為商業(yè)客機除漆
盡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(tǒng)部署計劃的持續(xù)開展已經被2013年美國國防部出臺的聯(lián)邦預算削減計劃阻礙。對于Lasertronics公司而言，在商業(yè)航空公司部署激光除漆系統(tǒng)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(lián)邦航空管理局批準的激光除漆公司之后。Russell表示，該機構的批準非常重要，因為商業(yè)飛機維修和檢修提供商一般都不愿采用激光除漆技術，因為該技術并未包含在OEM服務手冊中。而一旦手冊中內容發(fā)生改變，很多事情就會很快發(fā)生。
商業(yè)客機除漆的應用前景
上述情況并不是意味著商業(yè)客機公司不愿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臺激光器用于航空器油漆去除任務，其中包括幾臺光纖激光器用于在希爾空軍基地的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準了一種Adapt激光器，用于清除F-35多用途隱形戰(zhàn)斗機中金屬結構粘合區(qū)域的托板螺帽的涂層。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(xù)研究新技術以改進我們的制造工藝，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(guī)模轉換到商業(yè)生產規(guī)模是我們正在進行研究的重點。“
視覺系統(tǒng)助力除漆技術
為了平衡飛機的外觀美感和重量，飛機制造商通常在其飛機上涂上一層薄薄的油漆。雖然從工廠生產出來的飛機上可能涂有高達5密耳厚的油漆，但是對于長期運行并且經常發(fā)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復合材料，機器人激光除漆系統(tǒng)依靠的是各種光學和激光傳感器。
但是，并不是所有的機器人都會以相同的方式去除油漆，因為它們采用了不同的高速視覺系統(tǒng)。下面簡要介紹LR Systems公司的激光涂層去除系統(tǒng)（LCR）、Lasertronics公司的自動旋翼除漆系統(tǒng)（ARBSS）、Concurrent Technologies公司和國家機器人工程中心的高級機器人激光涂層去除系統(tǒng)（ARLCRS）使用的多種視覺系統(tǒng)。
LCR：該系統(tǒng)通過使用300 Hz的顏色和近紅外光譜成像監(jiān)測油漆去除的狀態(tài)。視覺系統(tǒng)提供毫米分辨率的激光功率指令，激光功率每秒更新2萬次。據LCR視覺系統(tǒng)開發(fā)公司位于德克薩斯州圣安東尼奧市的西南研究所機器人和自動化工程副主任Clay Flannigan的說法，LCR通過使用機器學習算法“學習”除漆。
ARBSS：該系統(tǒng)將評估工作表面的顏色，同時檢查激光脈沖，直到確認表面油漆涂層的存在。根據Russell的說法，該系統(tǒng)能夠有選擇地去除油漆的頂層或底層，并防止激光直射脆弱的玻璃纖維復合基材。
ARLCRS：該系統(tǒng)的彩色攝像機為表面屬性分析儀提供數(shù)據，而掃描激光雷達傳感器為表面制圖收集3D數(shù)據。傳感器檢測除漆狀態(tài)并分類，根據除漆狀態(tài)修改其計劃，并避免除漆目標區(qū)域的遺留。
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