圖1. LR System公司為商用客機(jī)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(jī)器人技術(shù)和自動(dòng)化工程助理Clay Flannigan表示：“大型除漆機(jī)器人的開發(fā)得益于許多因素共同作用的結(jié)果，包括機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)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(shù)的商業(yè)化前景。”

盡管激光除漆技術(shù)最初發(fā)源自荷蘭，但這一技術(shù)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(xiàng)目機(jī)器人開發(fā)的主要承包商，其中包括一臺(tái)用于實(shí)時(shí)控制激光功率的高速機(jī)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(tái)多邊形激光掃描儀，它將把激光聚焦并掃過飛機(jī)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(shí)驗(yàn)室和荷蘭航空航天實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jīng)與LR Systems公司達(dá)成諒解備忘錄，為其通過OEM資格和認(rèn)證程序提供支持。

除漆基礎(chǔ)知識(shí)

油漆除了豐富了飛機(jī)顏色，還增加了飛機(jī)的重量。例如，空客公司的雙層寬體四發(fā)噴氣客機(jī)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(biāo)識(shí)來增強(qiáng)商業(yè)航空公司的市場(chǎng)營銷，或者以偽裝設(shè)計(jì)的形式為軍用飛機(jī)創(chuàng)造戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)。僅僅在已經(jīng)開始磨損的老油漆層上噴繪能夠使飛機(jī)看起來更新，但是代價(jià)就是增加了飛機(jī)的重量。

LR Systems公司項(xiàng)目主管Peter Boeijink表示：“每隔五六年，一架飛機(jī)的油漆層就會(huì)被剝離并重新著色，以修復(fù)表面的損傷并重新涂漆，以防止油漆需要更換時(shí)腐蝕飛機(jī)。”

傳統(tǒng)的做法是用化學(xué)脫漆劑、水鎬、干燥介質(zhì)噴砂和手工砂光進(jìn)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(xué)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(jī)的油漆。自20世紀(jì)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(hù)和回收法”等聯(lián)邦立法的出臺(tái)，這些法律對(duì)排放有害廢水、排放有害空氣污染物和處置噴繪油漆有關(guān)的廢棄物的要求越來越迫切。

使用不同方法去除油漆產(chǎn)生的廢料重量各不相同，通過介質(zhì)噴射將生產(chǎn)約4磅固體廢物，通過使用溶劑將產(chǎn)生9磅固體廢物與165磅廢液。根據(jù)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(huì)產(chǎn)生大約半磅的固體廢物，而安裝激光的自動(dòng)旋翼剝離系統(tǒng)（ARBSS）則是用來去除海軍直升機(jī)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(yùn)輸直升機(jī)的油漆。圖片來源：美國西科斯基公司。

激光器需求

20世紀(jì)90年代中期，Lasertronics公司首次推出除漆系統(tǒng)時(shí)，采用了二氧化碳激光器。該公司使用這種技術(shù)直到2000年左右，當(dāng)時(shí)它被莫斯科圣查爾斯的諾斯羅普•格魯曼公司生產(chǎn)的Nd：YAG激光器所取代。Lasertronics公司的業(yè)務(wù)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(jìn)入飛機(jī)上的角落和縫隙，例如內(nèi)部機(jī)翼油箱”。盡管該公司的客戶對(duì)Nd：YAG激光器感到滿意，但他們認(rèn)為其技術(shù)停機(jī)時(shí)間過長，而且需要昂貴的維護(hù)費(fèi)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(qiáng)大的并且操作十分方便。隨著激光器價(jià)格的不斷下降，我們?cè)O(shè)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(chǎng)。IPG董事長兼首席執(zhí)行官Valentin Gapontsev在2015年4月的一次電話會(huì)議上指出：“用于飛機(jī)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(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位。”2016年2月，他又在一次電話會(huì)議上表示，航空航天領(lǐng)域的激光清洗，是IPG公司的主要增長領(lǐng)域。該公司的“獨(dú)創(chuàng)的千瓦級(jí)納秒級(jí)光纖激光器正開始改變這個(gè)龐大市場(chǎng)的局面”。

Lasertronics公司并不是唯一一家從研制生產(chǎn)二氧化碳激光器轉(zhuǎn)行到研發(fā)機(jī)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(jìn)機(jī)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(shí)際上，通快公司的二氧化碳激光器被認(rèn)為是其機(jī)器人系統(tǒng)中最大的激光除漆產(chǎn)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(jī)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(diǎn)都對(duì)油漆剝離效率和襯底溫度有負(fù)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(huì)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(duì)保護(hù)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(jī)周圍操縱激光光束，而這些反射鏡需要保持彼此對(duì)準(zhǔn)，這是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)。此外，運(yùn)行和維護(hù)光纖的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于二氧化碳激光器系統(tǒng)。”

軍事應(yīng)用：為噴氣式飛機(jī)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(jī)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(jī)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(dòng)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(chǎn)的二氧化碳激光器的機(jī)器人系統(tǒng)去除通用動(dòng)力公司生產(chǎn)的F-16戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)身上的油漆。

2015年6月，Concurrent公司和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)在匹茲堡的國家機(jī)器人技術(shù)工程中心開發(fā)并運(yùn)送到猶他州空軍基地的兩臺(tái)ARLCRS（圖3）。與LADS II型不同的是，ARLCRS是半自動(dòng)的，每個(gè)機(jī)器人都配有IPG的光纖激光器。這兩臺(tái)系統(tǒng)共包含有六個(gè)機(jī)器人，首席工程師Mary Bush表示，兩個(gè)機(jī)器人將被保留用于為F-16除漆，其余四個(gè)用為于洛克希德馬丁公司的C-130貨機(jī)除漆。根據(jù)Nugay的說法，ARLCRS縮短了50％的除漆時(shí)間，F(xiàn)-16的除漆時(shí)間從7天縮短到3天，C-130的除漆時(shí)間從10天縮短到5天。

圖3.由Concurrent Technologies公司和美國國家機(jī)器人工程中心開發(fā)的兩套先進(jìn)的機(jī)器人激光涂層去除系統(tǒng)（ARLCRS），用于為F-16戰(zhàn)斗機(jī)去除油漆。圖片來源：Concurrent Technologies公司。

Bush表示：“ARLCRS是唯一一種已經(jīng)完成開發(fā)與生產(chǎn)的半自動(dòng)機(jī)器人激光除漆系統(tǒng)。這項(xiàng)技術(shù)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(wù)。”

ARLCRS的正常生產(chǎn)將從為希爾空軍基地的F-16提供第一臺(tái)機(jī)器人系統(tǒng)開始，預(yù)計(jì)將在2017年第一季度在該基地的C-130飛機(jī)上開始進(jìn)行除漆（圖4）。美國空軍還計(jì)劃在2017財(cái)年在佐治亞州的羅賓斯空軍基地建造下一代ARLCRS。Nugay認(rèn)為，根據(jù)飛機(jī)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(jìn)機(jī)器人激光除漆系統(tǒng)可將飛機(jī)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(shù)對(duì)于從航空航天工業(yè)中使用的復(fù)合材料，以及鋁和鋼材上去除涂料非常有吸引力。另外，對(duì)于每架F-16來說，廢物處理總量減少了99％，減少了2000磅危險(xiǎn)廢物，并且沒有使用有害物質(zhì)，個(gè)人防護(hù)設(shè)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(gè)目標(biāo)的原因。”

軍事應(yīng)用：為直升機(jī)旋翼除漆

2009年，Lasertronics公司還在北卡羅來納州的海軍陸戰(zhàn)隊(duì)切里波因特空軍基地安裝了自動(dòng)旋翼除漆系統(tǒng)，從西科斯基CH-53E重型直升機(jī)的玻璃纖維復(fù)合材料旋翼上去除油漆。激光系統(tǒng)已經(jīng)大大減少了除漆過程中損壞部件的廢料量，比手動(dòng)旋轉(zhuǎn)磨砂機(jī)的磨損率降低超過10％，這對(duì)于除漆成本而言是十分重要的，因?yàn)槊總€(gè)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(rèn)為這是一項(xiàng)非破壞性的技術(shù)。Lasertronics公司正在使用來自美國佛羅里達(dá)州奧蘭多市的Lee激光公司生產(chǎn)的400W激光器替代美國激光公司生產(chǎn)的ARBSS Nd：YAG激光器。升級(jí)完成后，海軍航空系統(tǒng)司令部計(jì)劃擴(kuò)展ARBSS計(jì)劃到波音V-22魚鷹戰(zhàn)斗機(jī)。Lasertonics公司的Russell認(rèn)為，位于切里波因特空軍基地的西科斯基H-60黑鷹直升機(jī)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(shí)也需要進(jìn)行維護(hù)，而且由于除漆和補(bǔ)漆過程中出現(xiàn)的不均勻性會(huì)導(dǎo)致旋翼的平衡問題。Lasertronics公司也在探索從波音公司生產(chǎn)的阿帕奇直升機(jī)旋翼葉片上去除接觸腐蝕防護(hù)涂層的技術(shù)。Lasertronics公司生產(chǎn)的手持式激光系統(tǒng)也被用于從費(fèi)爾柴爾德公司A-10 Thunderbolt飛機(jī)的中央機(jī)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(yīng)用：為商業(yè)客機(jī)除漆

盡管已經(jīng)在軍用飛機(jī)上擁有如此多的進(jìn)展，但Russell表示，激光除漆系統(tǒng)部署計(jì)劃的持續(xù)開展已經(jīng)被2013年美國國防部出臺(tái)的聯(lián)邦預(yù)算削減計(jì)劃阻礙。對(duì)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(jìn)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(zhǔn)的激光除漆公司之后。Russell表示，該機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn)非常重要，因?yàn)樯虡I(yè)飛機(jī)維修和檢修提供商一般都不愿采用激光除漆技術(shù)，因?yàn)樵摷夹g(shù)并未包含在OEM服務(wù)手冊(cè)中。而一旦手冊(cè)中內(nèi)容發(fā)生改變，很多事情就會(huì)很快發(fā)生。

商業(yè)客機(jī)除漆的應(yīng)用前景

上述情況并不是意味著商業(yè)客機(jī)公司不愿意接受激光除漆技術(shù)。例如，自從二十一世紀(jì)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(chǎn)的激光器來去除電子焊接接觸的油漆。Adapt公司已經(jīng)有大約30臺(tái)激光器用于航空器油漆去除任務(wù)，其中包括幾臺(tái)光纖激光器用于在希爾空軍基地的F-16和C-130上進(jìn)行小面積油漆清除。據(jù)Adapt公司總裁Georg Heidelmann介紹，2015年洛克希德馬丁公司還批準(zhǔn)了一種Adapt激光器，用于清除F-35多用途隱形戰(zhàn)斗機(jī)中金屬結(jié)構(gòu)粘合區(qū)域的托板螺帽的涂層。他非常樂觀地認(rèn)為，激光將在不久的將來用于軍用和商用飛機(jī)的全身除漆。

在波音公司，化學(xué)與粘合劑技術(shù)高級(jí)技術(shù)人員Kay Blohowiak表示：“繼續(xù)研究新技術(shù)以改進(jìn)我們的制造工藝，包括使用激光代替化學(xué)品或者手工砂光工藝從飛機(jī)結(jié)構(gòu)中去除油漆，以及飛機(jī)表面清潔和準(zhǔn)備噴繪等。將激光除漆從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模轉(zhuǎn)換到商業(yè)生產(chǎn)規(guī)模是我們正在進(jìn)行研究的重點(diǎn)。“

視覺系統(tǒng)助力除漆技術(shù)

為了平衡飛機(jī)的外觀美感和重量，飛機(jī)制造商通常在其飛機(jī)上涂上一層薄薄的油漆。雖然從工廠生產(chǎn)出來的飛機(jī)上可能涂有高達(dá)5密耳厚的油漆，但是對(duì)于長期運(yùn)行并且經(jīng)常發(fā)生碰撞的飛機(jī)來說，油漆厚度可能高達(dá)20密耳。為了精確地從飛機(jī)上去除這些薄薄的油漆層，有時(shí)候不用打底漆，也不會(huì)損壞下面的鋁或復(fù)合材料，機(jī)器人激光除漆系統(tǒng)依靠的是各種光學(xué)和激光傳感器。

但是，并不是所有的機(jī)器人都會(huì)以相同的方式去除油漆，因?yàn)樗鼈儾捎昧瞬煌母咚僖曈X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(dòng)旋翼除漆系統(tǒng)（ARBSS）、Concurrent Technologies公司和國家機(jī)器人工程中心的高級(jí)機(jī)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(cè)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(jù)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(jī)器人和自動(dòng)化工程副主任Clay Flannigan的說法，LCR通過使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法“學(xué)習(xí)”除漆。

ARBSS：該系統(tǒng)將評(píng)估工作表面的顏色，同時(shí)檢查激光脈沖，直到確認(rèn)表面油漆涂層的存在。根據(jù)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(fù)合基材。

ARLCRS：該系統(tǒng)的彩色攝像機(jī)為表面屬性分析儀提供數(shù)據(jù)，而掃描激光雷達(dá)傳感器為表面制圖收集3D數(shù)據(jù)。傳感器檢測(cè)除漆狀態(tài)并分類，根據(jù)除漆狀態(tài)修改其計(jì)劃，并避免除漆目標(biāo)區(qū)域的遺留。