圖1. LR System公司為(wei) 商用客機企業(ye) 提供的最大型的激光除漆（LCR）係統的模擬圖。圖片來源：LR Systems公司。

在美國德克薩斯州聖安東(dong) 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得益於(yu) 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(you) 異的激光器，更重視過程的可持續性和健康效益以及私人投資。迄今為(wei) 止，美國國防部資助了大部分工藝開發過程，而我們(men) 現在才開始看到該技術的商業(ye) 化前景。”

盡管激光除漆技術最初發源自荷蘭(lan) ，但這一技術的發展是大西洋兩(liang) 岸合作夥(huo) 伴共同參與(yu) 的成果。美國西南研究所是該項目機器人開發的主要承包商，其中包括一台用於(yu) 實時控製激光功率的高速機器視覺係統，用於(yu) 選擇性剝離油漆層。位於(yu) 俄亥俄州哥倫(lun) 布的愛迪生焊接研究所提供了一台多邊形激光掃描儀(yi) ，它將把激光聚焦並掃過飛機的表麵。二氧化碳激光器由通快荷蘭(lan) 公司開發。LR Systems還與(yu) 荷蘭(lan) 的國家航空航天實驗室和荷蘭(lan) 航空航天實驗室合作，協助美國聯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(wei) 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(yu) LR Systems公司達成諒解備忘錄，為(wei) 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(feng) 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(ti) 四發噴氣客機A380，其外部表麵積為(wei) 4400平方米，並且需要噴塗三層油漆，總重量約為(wei) 500千克。塗料可以通過使用公司的顏色和標識來增強商業(ye) 航空公司的市場營銷，或者以偽(wei) 裝設計的形式為(wei) 軍(jun) 用飛機創造戰略優(you) 勢。僅(jin) 僅(jin) 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(jia) 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(hui) 被剝離並重新著色，以修複表麵的損傷(shang) 並重新塗漆，以防止油漆需要更換時腐蝕飛機。”

傳(chuan) 統的做法是用化學脫漆劑、水鎬、幹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(jun) 基地的美國空軍(jun) 人員使用了4360加侖(lun) 的化學油漆和270萬(wan) 加侖(lun) 的衝(chong) 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(jun) 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、排放有害空氣汙染物和處置噴繪油漆有關(guan) 的廢棄物的要求越來越迫切。

使用不同方法去除油漆產(chan) 生的廢料重量各不相同，通過介質噴射將生產(chan) 約4磅固體(ti) 廢物，通過使用溶劑將產(chan) 生9磅固體(ti) 廢物與(yu) 165磅廢液。根據加利福尼亞(ya) 州聖何塞的國防承包商Lasertronics公司的說法，用激光剝離的方法隻會(hui) 產(chan) 生大約半磅的固體(ti) 廢物，而安裝激光的自動旋翼剝離係統（ARBSS）則是用來去除海軍(jun) 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公司首次推出除漆係統時，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，當時它被莫斯科聖查爾斯的諾斯羅普•格魯曼公司生產(chan) 的Nd：YAG激光器所取代。Lasertronics公司的業(ye) 務發展總監Jim Russell表示：“Nd：YAG激光器的柔性光纖光束傳(chuan) 輸係統能夠進入飛機上的角落和縫隙，例如內(nei) 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(men) 認為(wei) 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(jia) 格的不斷下降，我們(men) 設想很多行業(ye) 的塗層去除工作將由激光除漆係統接管。”

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(hui) 議上指出：“用於(yu) 飛機和船舶的高效除漆係統的需求量很大，公司的長期規劃是從(cong) 初期研製到大規模部署並且在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(hui) 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(ge) 龐大市場的局麵”。

Lasertronics公司並不是唯一一家從(cong) 研製生產(chan) 二氧化碳激光器轉行到研發機器人除漆係統的公司。位於(yu) 美國賓夕法尼亞(ya) 州約翰斯敦的Concurrent Technologies公司，也將IPG光纖激光器用於(yu) 美國空軍(jun) 使用的先進機器人激光塗層去除係統（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(wei) 是其機器人係統中最大的激光除漆產(chan) 品。西南研究院的Flannigan表示，這種激光器特別擅長去除商業(ye) 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(liang) 種特點都對油漆剝離效率和襯底溫度有負麵影響。Flannigan表示：“10.6微米的二氧化碳激光器發出的波長會(hui) 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(chong) 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製，Flannigan表示，油漆剝離速率大致與(yu) 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(chong) 激光而不使基板過熱。

位於(yu) 俄亥俄州的賴特帕特森空軍(jun) 基地空軍(jun) 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(yu) 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(yu) 二氧化碳激光器係統。”

軍(jun) 事應用：為(wei) 噴氣式飛機除漆

近年來，激光除漆係統在美國空軍(jun) 基地獲得了巨大的成功，特別是2008年在廷克空軍(jun) 基地的KC-135零件上展示了機器人激光塗層去除係統（RLCRS）。RLCRS是Concurrent公司為(wei) 空軍(jun) 開發的一係列機器人係統之一。一年後，該公司在猶他州希爾空軍(jun) 基地建造並安裝了激光自動除漆係統II型（LADS II）。美國空軍(jun) 使用這種裝備德國羅芬西納公司生產(chan) 的二氧化碳激光器的機器人係統去除通用動力公司生產(chan) 的F-16戰鬥機機身上的油漆。

2015年6月，Concurrent公司和卡內(nei) 基梅隆大學在匹茲(zi) 堡的國家機器人技術工程中心開發並運送到猶他州空軍(jun) 基地的兩(liang) 台ARLCRS（圖3）。與(yu) LADS II型不同的是，ARLCRS是半自動的，每個(ge) 機器人都配有IPG的光纖激光器。這兩(liang) 台係統共包含有六個(ge) 機器人，首席工程師Mary Bush表示，兩(liang) 個(ge) 機器人將被保留用於(yu) 為(wei) F-16除漆，其餘(yu) 四個(ge) 用為(wei) 於(yu) 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(cong) 7天縮短到3天，C-130的除漆時間從(cong) 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兩(liang) 套先進的機器人激光塗層去除係統（ARLCRS），用於(yu) 為(wei) F-16戰鬥機去除油漆。圖片來源：Concurrent Technologies公司。

Bush表示：“ARLCRS是唯一一種已經完成開發與(yu) 生產(chan) 的半自動機器人激光除漆係統。這項技術適用於(yu) 商業(ye) 航空公司和其他航空航天工業(ye) 的激光除漆任務。”

ARLCRS的正常生產(chan) 將從(cong) 為(wei) 希爾空軍(jun) 基地的F-16提供第一台機器人係統開始，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(jun) 還計劃在2017財年在佐治亞(ya) 州的羅賓斯空軍(jun) 基地建造下一代ARLCRS。Nugay認為(wei) ，根據飛機的規模，除漆係統的成本將維持在500萬(wan) 美元到700萬(wan) 美元之間。

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

Nugay表示：“我們(men) 相信激光技術對於(yu) 從(cong) 航空航天工業(ye) 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(yu) 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(ge) 人防護設備和控製室工作環境成本也降至最低。這就是我們(men) 為(wei) 什麽(me) 要追求這個(ge) 目標的原因。”

軍(jun) 事應用：為(wei) 直升機旋翼除漆

2009年，Lasertronics公司還在北卡羅來納州的海軍(jun) 陸戰隊切裏波因特空軍(jun) 基地安裝了自動旋翼除漆係統，從(cong) 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。激光係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(yu) 除漆成本而言是十分重要的，因為(wei) 每個(ge) 旋翼長約38英尺，成本約為(wei) 12萬(wan) 美元。

Lasertronics公司聯合創始人兼營銷傳(chuan) 播副總裁Ralph Miller認為(wei) 這是一項非破壞性的技術。Lasertronics公司正在使用來自美國佛羅裏達州奧蘭(lan) 多市的Lee激光公司生產(chan) 的400W激光器替代美國激光公司生產(chan) 的ARBSS Nd：YAG激光器。升級完成後，海軍(jun) 航空係統司令部計劃擴展ARBSS計劃到波音V-22魚鷹戰鬥機。Lasertonics公司的Russell認為(wei) ，位於(yu) 切裏波因特空軍(jun) 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係統。

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(yu) 除漆和補漆過程中出現的不均勻性會(hui) 導致旋翼的平衡問題。Lasertronics公司也在探索從(cong) 波音公司生產(chan) 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(chan) 的手持式激光係統也被用於(yu) 從(cong) 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，該係統表現出極高的工作效率。

未來商業(ye) 應用：為(wei) 商業(ye) 客機除漆

盡管已經在軍(jun) 用飛機上擁有如此多的進展，但Russell表示，激光除漆係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(yu) Lasertronics公司而言，在商業(ye) 航空公司部署激光除漆係統的進展也慢得多，特別是在該公司成為(wei) 2010年唯一一家獲得美國聯邦航空管理局批準的激光除漆公司之後。Russell表示，該機構的批準非常重要，因為(wei) 商業(ye) 飛機維修和檢修提供商一般都不願采用激光除漆技術，因為(wei) 該技術並未包含在OEM服務手冊(ce) 中。而一旦手冊(ce) 中內(nei) 容發生改變，很多事情就會(hui) 很快發生。

商業(ye) 客機除漆的應用前景

上述情況並不是意味著商業(ye) 客機公司不願意接受激光除漆技術。例如，自從(cong) 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(chan) 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(yu) 航空器油漆去除任務，其中包括幾台光纖激光器用於(yu) 在希爾空軍(jun) 基地的F-16和C-130上進行小麵積油漆清除。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，用於(yu) 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(le) 觀地認為(wei) ，激光將在不久的將來用於(yu) 軍(jun) 用和商用飛機的全身除漆。

在波音公司，化學與(yu) 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(men) 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(cong) 飛機結構中去除油漆，以及飛機表麵清潔和準備噴繪等。將激光除漆從(cong) 實驗室規模轉換到商業(ye) 生產(chan) 規模是我們(men) 正在進行研究的重點。“

視覺係統助力除漆技術

為(wei) 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(cong) 工廠生產(chan) 出來的飛機上可能塗有高達5密耳厚的油漆，但是對於(yu) 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(wei) 了精確地從(cong) 飛機上去除這些薄薄的油漆層，有時候不用打底漆，也不會(hui) 損壞下麵的鋁或複合材料，機器人激光除漆係統依靠的是各種光學和激光傳(chuan) 感器。

但是，並不是所有的機器人都會(hui) 以相同的方式去除油漆，因為(wei) 它們(men) 采用了不同的高速視覺係統。下麵簡要介紹LR Systems公司的激光塗層去除係統（LCR）、Lasertronics公司的自動旋翼除漆係統（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係統（ARLCRS）使用的多種視覺係統。

LCR：該係統通過使用300 Hz的顏色和近紅外光譜成像監測油漆去除的狀態。視覺係統提供毫米分辨率的激光功率指令，激光功率每秒更新2萬(wan) 次。據LCR視覺係統開發公司位於(yu) 德克薩斯州聖安東(dong) 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(xi) 算法“學習(xi) ”除漆。

ARBSS：該係統將評估工作表麵的顏色，同時檢查激光脈衝(chong) ，直到確認表麵油漆塗層的存在。根據Russell的說法，該係統能夠有選擇地去除油漆的頂層或底層，並防止激光直射脆弱的玻璃纖維複合基材。

ARLCRS：該係統的彩色攝像機為(wei) 表麵屬性分析儀(yi) 提供數據，而掃描激光雷達傳(chuan) 感器為(wei) 表麵製圖收集3D數據。傳(chuan) 感器檢測除漆狀態並分類，根據除漆狀態修改其計劃，並避免除漆目標區域的遺留。