图1. LR System公司为商用客机企业提供的最大型的激光除漆（LCR）系统的模拟图。图片来源：LR Systems公司。

在美国德克萨斯州圣安东尼奥的西南研究所（SwRI）的机器人技术和自动化工程助理Clay Flannigan表示：“大型除漆机器人的开发得益于许多因素共同作用的结果，包括机器人技术的进步，成本更低、性能更优异的激光器，更重视过程的可持续性和健康效益以及私人投资。迄今为止，美国国防部资助了大部分工艺开发过程，而我们现在才开始看到该技术的商业化前景。”

尽管激光除漆技术最初发源自荷兰，但这一技术的发展是大西洋两岸合作伙伴共同参与的成果。美国西南研究所是该项目机器人开发的主要承包商，其中包括一台用于实时控制激光功率的高速机器视觉系统，用于选择性剥离油漆层。位于俄亥俄州哥伦布的爱迪生焊接研究所提供了一台多边形激光扫描仪，它将把激光聚焦并扫过飞机的表面。二氧化碳激光器由通快荷兰公司开发。LR Systems还与荷兰的国家航空航天实验室和荷兰航空航天实验室合作，协助美国联邦航空管理局和欧洲航空安全局进行资格审查。

LR Systems将新加坡航空公司列为第一批潜在客户。该航空公司的子公司新加坡航空工程公司已经与LR Systems公司达成谅解备忘录，为其通过OEM资格和认证程序提供支持。

除漆基础知识

油漆除了丰富了飞机颜色，还增加了飞机的重量。例如，空客公司的双层宽体四发喷气客机A380，其外部表面积为4400平方米，并且需要喷涂三层油漆，总重量约为500千克。涂料可以通过使用公司的颜色和标识来增强商业航空公司的市场营销，或者以伪装设计的形式为军用飞机创造战略优势。仅仅在已经开始磨损的老油漆层上喷绘能够使飞机看起来更新，但是代价就是增加了飞机的重量。

LR Systems公司项目主管Peter Boeijink表示：“每隔五六年，一架飞机的油漆层就会被剥离并重新着色，以修复表面的损伤并重新涂漆，以防止油漆需要更换时腐蚀飞机。”

传统的做法是用化学脱漆剂、水镐、干燥介质喷砂和手工砂光进行除漆。例如在2007年，俄克拉何马州廷克空军基地的美国空军人员使用了4360加仑的化学油漆和270万加仑的冲洗液，去除大部分波音KC-135空中加油机的油漆。自20世纪90年代初以来，美国空军一直在探索替代性的除漆方法。随着“清洁水法”，“清洁空气法”和“资源保护和回收法”等联邦立法的出台，这些法律对排放有害废水、排放有害空气污染物和处置喷绘油漆有关的废弃物的要求越来越迫切。

使用不同方法去除油漆产生的废料重量各不相同，通过介质喷射将生产约4磅固体废物，通过使用溶剂将产生9磅固体废物与165磅废液。根据加利福尼亚州圣何塞的国防承包商Lasertronics公司的说法，用激光剥离的方法只会产生大约半磅的固体废物，而安装激光的自动旋翼剥离系统（ARBSS）则是用来去除海军直升机旋翼桨叶上的油漆（图2）。

图2. General Lasertronics公司使用Nd：YAG激光器去除CH-53重型运输直升机的油漆。图片来源：美国西科斯基公司。

激光器需求

20世纪90年代中期，Lasertronics公司首次推出除漆系统时，采用了二氧化碳激光器。该公司使用这种技术直到2000年左右，当时它被莫斯科圣查尔斯的诺斯罗普•格鲁曼公司生产的Nd：YAG激光器所取代。Lasertronics公司的业务发展总监Jim Russell表示：“Nd：YAG激光器的柔性光纤光束传输系统能够进入飞机上的角落和缝隙，例如内部机翼油箱”。尽管该公司的客户对Nd：YAG激光器感到满意，但他们认为其技术停机时间过长，而且需要昂贵的维护费用。因此，Lasertronics公司在2014年开始使用来自马萨诸塞州牛津的IPG Photonics公司开发的光纤激光器。Russell表示：“IPG公司的光纤激光器已被证明是非常强大的并且操作十分方便。随着激光器价格的不断下降，我们设想很多行业的涂层去除工作将由激光除漆系统接管。”

IPG公司并未忽视激光除漆市场。IPG董事长兼首席执行官Valentin Gapontsev在2015年4月的一次电话会议上指出：“用于飞机和船舶的高效除漆系统的需求量很大，公司的长期规划是从初期研制到大规模部署并且在IPG光纤激光器领域占据领导地位。”2016年2月，他又在一次电话会议上表示，航空航天领域的激光清洗，是IPG公司的主要增长领域。该公司的“独创的千瓦级纳秒级光纤激光器正开始改变这个庞大市场的局面”。

Lasertronics公司并不是唯一一家从研制生产二氧化碳激光器转行到研发机器人除漆系统的公司。位于美国宾夕法尼亚州约翰斯敦的Concurrent Technologies公司，也将IPG光纤激光器用于美国空军使用的先进机器人激光涂层去除系统（ARLCRS）。然而，LR Systems公司仍然使用的是二氧化碳激光器。实际上，通快公司的二氧化碳激光器被认为是其机器人系统中最大的激光除漆产品。西南研究院的Flannigan表示，这种激光器特别擅长去除商业飞机上普遍使用的清漆和白色外漆等难以去除的涂层。

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。这两种特点都对油漆剥离效率和衬底温度有负面影响。Flannigan表示：“10.6微米的二氧化碳激光器发出的波长会被大多数油漆吸收，因此清除油漆的能量比加热基材或环境要多。”

脉冲激光器的高峰值功率能够帮助克服连续激光器短波长所带来的限制，Flannigan表示，油漆剥离速率大致与激光平均功率成正比。这使得难以安全地输出高平均功率的脉冲激光而不使基板过热。

位于俄亥俄州的赖特帕特森空军基地空军装备司令部的后勤、土木工程和部队保护局副局长Tom Nugay表示：“二氧化碳激光器的问题在于需要使用反射镜在飞机周围操纵激光光束，而这些反射镜需要保持彼此对准，这是一项非常艰巨的任务。此外，运行和维护光纤的成本远远低于二氧化碳激光器系统。”

军事应用：为喷气式飞机除漆

近年来，激光除漆系统在美国空军基地获得了巨大的成功，特别是2008年在廷克空军基地的KC-135零件上展示了机器人激光涂层去除系统（RLCRS）。RLCRS是Concurrent公司为空军开发的一系列机器人系统之一。一年后，该公司在犹他州希尔空军基地建造并安装了激光自动除漆系统II型（LADS II）。美国空军使用这种装备德国罗芬西纳公司生产的二氧化碳激光器的机器人系统去除通用动力公司生产的F-16战斗机机身上的油漆。

2015年6月，Concurrent公司和卡内基梅隆大学在匹兹堡的国家机器人技术工程中心开发并运送到犹他州空军基地的两台ARLCRS（图3）。与LADS II型不同的是，ARLCRS是半自动的，每个机器人都配有IPG的光纤激光器。这两台系统共包含有六个机器人，首席工程师Mary Bush表示，两个机器人将被保留用于为F-16除漆，其余四个用为于洛克希德马丁公司的C-130货机除漆。根据Nugay的说法，ARLCRS缩短了50％的除漆时间，F-16的除漆时间从7天缩短到3天，C-130的除漆时间从10天缩短到5天。

图3.由Concurrent Technologies公司和美国国家机器人工程中心开发的两套先进的机器人激光涂层去除系统（ARLCRS），用于为F-16战斗机去除油漆。图片来源：Concurrent Technologies公司。

Bush表示：“ARLCRS是唯一一种已经完成开发与生产的半自动机器人激光除漆系统。这项技术适用于商业航空公司和其他航空航天工业的激光除漆任务。”

ARLCRS的正常生产将从为希尔空军基地的F-16提供第一台机器人系统开始，预计将在2017年第一季度在该基地的C-130飞机上开始进行除漆（图4）。美国空军还计划在2017财年在佐治亚州的罗宾斯空军基地建造下一代ARLCRS。Nugay认为，根据飞机的规模，除漆系统的成本将维持在500万美元到700万美元之间。

图4.为犹他州希尔空军基地F-16除漆的先进机器人激光除漆系统可将飞机油漆层清除至底漆层。图片来源：美国空军/Alex R. Lloyd。

Nugay表示：“我们相信激光技术对于从航空航天工业中使用的复合材料，以及铝和钢材上去除涂料非常有吸引力。另外，对于每架F-16来说，废物处理总量减少了99％，减少了2000磅危险废物，并且没有使用有害物质，个人防护设备和控制室工作环境成本也降至最低。这就是我们为什么要追求这个目标的原因。”

军事应用：为直升机旋翼除漆

2009年，Lasertronics公司还在北卡罗来纳州的海军陆战队切里波因特空军基地安装了自动旋翼除漆系统，从西科斯基CH-53E重型直升机的玻璃纤维复合材料旋翼上去除油漆。激光系统已经大大减少了除漆过程中损坏部件的废料量，比手动旋转磨砂机的磨损率降低超过10％，这对于除漆成本而言是十分重要的，因为每个旋翼长约38英尺，成本约为12万美元。

Lasertronics公司联合创始人兼营销传播副总裁Ralph Miller认为这是一项非破坏性的技术。Lasertronics公司正在使用来自美国佛罗里达州奥兰多市的Lee激光公司生产的400W激光器替代美国激光公司生产的ARBSS Nd：YAG激光器。升级完成后，海军航空系统司令部计划扩展ARBSS计划到波音V-22鱼鹰战斗机。Lasertonics公司的Russell认为，位于切里波因特空军基地的西科斯基H-60黑鹰直升机的旋翼也将使用新型激光除漆系统。

Russell表示，旋翼叶片通常在除漆的同时也需要进行维护，而且由于除漆和补漆过程中出现的不均匀性会导致旋翼的平衡问题。Lasertronics公司也在探索从波音公司生产的阿帕奇直升机旋翼叶片上去除接触腐蚀防护涂层的技术。Lasertronics公司生产的手持式激光系统也被用于从费尔柴尔德公司A-10 Thunderbolt飞机的中央机翼油箱中去除密封胶，该系统表现出极高的工作效率。

未来商业应用：为商业客机除漆

尽管已经在军用飞机上拥有如此多的进展，但Russell表示，激光除漆系统部署计划的持续开展已经被2013年美国国防部出台的联邦预算削减计划阻碍。对于Lasertronics公司而言，在商业航空公司部署激光除漆系统的进展也慢得多，特别是在该公司成为2010年唯一一家获得美国联邦航空管理局批准的激光除漆公司之后。Russell表示，该机构的批准非常重要，因为商业飞机维修和检修提供商一般都不愿采用激光除漆技术，因为该技术并未包含在OEM服务手册中。而一旦手册中内容发生改变，很多事情就会很快发生。

商业客机除漆的应用前景

上述情况并不是意味着商业客机公司不愿意接受激光除漆技术。例如，自从二十一世纪初以来，空中客车公司就使用了美国堪萨斯城的Adapt Laser Systems公司生产的激光器来去除电子焊接接触的油漆。Adapt公司已经有大约30台激光器用于航空器油漆去除任务，其中包括几台光纤激光器用于在希尔空军基地的F-16和C-130上进行小面积油漆清除。据Adapt公司总裁Georg Heidelmann介绍，2015年洛克希德马丁公司还批准了一种Adapt激光器，用于清除F-35多用途隐形战斗机中金属结构粘合区域的托板螺帽的涂层。他非常乐观地认为，激光将在不久的将来用于军用和商用飞机的全身除漆。

在波音公司，化学与粘合剂技术高级技术人员Kay Blohowiak表示：“继续研究新技术以改进我们的制造工艺，包括使用激光代替化学品或者手工砂光工艺从飞机结构中去除油漆，以及飞机表面清洁和准备喷绘等。将激光除漆从实验室规模转换到商业生产规模是我们正在进行研究的重点。“

视觉系统助力除漆技术

为了平衡飞机的外观美感和重量，飞机制造商通常在其飞机上涂上一层薄薄的油漆。虽然从工厂生产出来的飞机上可能涂有高达5密耳厚的油漆，但是对于长期运行并且经常发生碰撞的飞机来说，油漆厚度可能高达20密耳。为了精确地从飞机上去除这些薄薄的油漆层，有时候不用打底漆，也不会损坏下面的铝或复合材料，机器人激光除漆系统依靠的是各种光学和激光传感器。

但是，并不是所有的机器人都会以相同的方式去除油漆，因为它们采用了不同的高速视觉系统。下面简要介绍LR Systems公司的激光涂层去除系统（LCR）、Lasertronics公司的自动旋翼除漆系统（ARBSS）、Concurrent Technologies公司和国家机器人工程中心的高级机器人激光涂层去除系统（ARLCRS）使用的多种视觉系统。

LCR：该系统通过使用300 Hz的颜色和近红外光谱成像监测油漆去除的状态。视觉系统提供毫米分辨率的激光功率指令，激光功率每秒更新2万次。据LCR视觉系统开发公司位于德克萨斯州圣安东尼奥市的西南研究所机器人和自动化工程副主任Clay Flannigan的说法，LCR通过使用机器学习算法“学习”除漆。

ARBSS：该系统将评估工作表面的颜色，同时检查激光脉冲，直到确认表面油漆涂层的存在。根据Russell的说法，该系统能够有选择地去除油漆的顶层或底层，并防止激光直射脆弱的玻璃纤维复合基材。

ARLCRS：该系统的彩色摄像机为表面属性分析仪提供数据，而扫描激光雷达传感器为表面制图收集3D数据。传感器检测除漆状态并分类，根据除漆状态修改其计划，并避免除漆目标区域的遗留。