יישומי לייזר בייצור תעופה וחלל

בשנים האחרונות, עולם התעופה והחלל - כולל מטוסים מסחריים וצבאיים, לוויינים, חלליות, מל"טים וכלי טיס בלתי מאוישים (מל"טים) - עבר כמה שינויים דרמטיים. יותר ויותר חברות מצטרפות למירוץ החלל, שרבות מהן דורשות טכנולוגיות ייצור חדשניות.

לעומת זאת, השפעת הגבלות הנסיעה על התעופה המסחרית שנגרמה ממגיפת הכתר החדשה גרמה לירידה בקצב ייצור המטוסים האזרחיים בשליש.

בשנת 2019, אירופה הייתה מהמובילות בעולם בייצור של מטוסים ומסוקים אזרחיים, כולל רכיבים ומנועי מטוסים שונים, תמכה בכ-400,000 משרות ויצרה הכנסות של 130 מיליארד יורו. בעוד שחקר החלל וההגנה נותרו לא מושפעים במידה רבה מהמגיפה, ייצור המטוסים האזרחיים עדיין מתאושש.

ב-"Uncertainty in Commercial Aerospace" (Uncertainty in Commercial Aerospace), שפורסם בפברואר 2023, דיווחה מקינזי, חברת ייעוץ ומחקר ידועה, כי העולם צריך לעכל בניית 9,400 מטוסי נוסעים (בעיקר מטוסי צר-גוף). ) עד סוף 2027. מטוסים) צבר. אבל יש אי ודאות לגבי הצמיחה העתידית של תנועת הנוסעים האווירית, בריאותן של שרשראות האספקה ​​וכוח העבודה. כתוצאה מכך, היצרנים צריכים להגביר את יעילות הייצור והגמישות כדי להתמודד עם צבר הזמנות ולהגיב לשינויים עתידיים בביקוש.

היכולת של עיבוד הלייזר להגדיל את הפרודוקטיביות ולשמור על עלויות נמוכות עשויה למלא תפקיד מפתח במתן תגובה זו של תעשיית התעופה והחלל. עיבוד לייזר - פעולות בצורת חיתוך, ריתוך, הצפה וקידוח - הפך לחלק בלתי נפרד מייצור תעופה וחלל.

לדוגמה, לייזרים משמשים לייצור דשים לכנפי מטוסים, מחברי כנפיים, חלקי מנועי סילון וחלקי מושבים, ומשמשים גם לתיקון טורבינות, ניקוי או הסרת צבע מחלקים והכנת חלקים לעיבוד נוסף. משטח חלק. בשנים האחרונות, גם ייצור תוסף לייזר (AM) גדל בפופולריות בטיסות חלל. בנוסף, השוק מקווה לשפר את יכולת העקיבה של רכיבי תעופה וחלל, וגם הדרישות לסימון לייזר הולכות וגדלות.

חיתוך וריתוך בלייזר

חיתוך בלייזר הוא תהליך מהיר, חסכוני ומדויק המשמש כדי לעמוד בדרישות הייצור התובעניות של מגזר התעופה והחלל.

בהשוואה לעיבוד מסורתי, לחיתוך לייזר יש דיוק גבוה, פחות בזבוז חומר, מהירות עיבוד מהירה, עלות נמוכה ופחות תחזוקת ציוד. בנוסף, הוא ממקסם את הפרודוקטיביות מכיוון שהוא מבצע את כל השינויים הדרושים בעיבוד מהיר וקל.

ניתן להשתמש בלייזרים לייצור חלקי מחברי כנפיים, חלקי ג'יג, חלקי אפקטור קצה, חלקי כלי עבודה ועוד. זה מתאים באותה מידה לרכיבים קטנים כמו אטמי שמן מושתלים וסעפת תעלות דימום טיטניום, כמו גם לרכיבים גדולים יותר כמו קונוסים של פליטה. הוא יכול לעבד מגוון רחב של חומרי תעופה וחלל, כולל אלומיניום, Hastelloy (ניקל שסגסוגו עם אלמנטים כמו מוליבדן וכרום), Inconel, Nitinol, Nitinol, נירוסטה, טנטלום וטיטניום.

ריתוך בלייזר משמש גם בתעופה וחלל כחלופה לשיטות חיבור מסורתיות כגון הדבקה והידוק מכני. לדוגמה, השימוש בריתוך לייזר של סגסוגות אלומיניום קלות משקל ופולימרים מחוזקים בסיבי פחמן (CFRP) בבניית מטוסים צובר אחיזה ומשמש להחלפת מסמרות בכל מקום אפשרי. טכניקות כמו ריתוך אריגת לייזר הצליחו גם בחיבור למיכלי דלק, בשיפור היעילות וחוזק המפרק, צמצום העיבוד החוזר וחיסכון רב של כסף. הצלחות ריתוך אחרות בתעופה וחלל כוללות חיבור הליבה היצוקה של להב טורבינה ללוח הכיסוי; ויצירת סוג חדש של דש כנף קל משקל המגביר את בקרת הזרימה למינרית, ממזער גרר ומייעל את יעילות הדלק.

לריתוך בלייזר יש פוטנציאל לחסוך בעלויות, להפחית את משקל הרכיבים ולשפר את איכות הריתוך בהשוואה לשיטות המסורתיות, ומספר יצרנים בוחנים כיום ריתוך בלייזר לייצור חלקי שלדות אוויר.

Lניקוי aser

יצרנים במגזר התעופה והחלל משתמשים בניקוי בלייזר להסרת שכבות של מתכת ומשטחים מרוכבים לקראת עיבוד שבבי, להסרת ציפויים או קורוזיה ולהסרת צבע ממרכיבים גדולים או מטוסים שלמים לפני צביעה מחדש.

בתהליך הניקוי הלייזר נספג ומתאדה על ידי משטח המתכת, ובכך משיג אבלציה של חומר פני השטח, תוך השפעה מועטה על חומר השכבה הפנימית, ולא יגרום לנזק תרמי מקרי לרכיבים. לייזר סיבים פועם בדרגת קילוואט מתאימים במיוחד לניקוי לייזר מהיר - הם מאפשרים ניקוי יעיל ובדיוק גבוה של מגוון רחב של חומרים לרבות קרמיקה, חומרים מרוכבים, מתכות ופלסטיק.

בשנים האחרונות גדל השימוש בחומרים מרוכבים במטוסים וכך גם הצורך בחיבור מתכות לחומרים מרוכבים. בייצור תעופה וחלל, ניתן להשתמש בדבקים כדי לחבר את שני החומרים השונים הללו. כדי ליצור קשר חזק, יש להכין את שני המשטחים בקפידה לפני יישום הדבק.

ניקוי בלייזר הוא אידיאלי מכיוון שהוא יוצר גימור משטח מבוקר היטב, שניתן לשחזור המאפשר הדבקה עקבית וניתנת לחיזוי. באופן מסורתי, זה ייעשה באמצעות טכניקות פיצוץ הרסניות או יישום של כמה כימיקלים. עם זאת, ניקוי בלייזר מציע כעת שיטה חד-שלבית שאינה רק חסכונית ויצרנית יותר, אלא גם בעלת השפעה סביבתית נמוכה יותר מכיוון שלא נדרשים כימיקלים רעילים או חומרי פיצוץ. ניקוי בלייזר הוא גם הרבה יותר עדין בחלקים מאשר בשיטות מסורתיות.

ניקוי בלייזר של מתכת וחלקי מטוסים מרוכביםהוא גם מועיל יותר מהפשטה כימית או טכניקות פיצוץ כשמדובר בהפשטת צבע. במהלך חייו השימושיים, מטוס עשוי להיצבע מחדש 4-5 פעמים, וייתכן שייקח שבוע או יותר כדי להסיר את הצבע מכל המטוס באמצעות טכניקות מסורתיות. לעומת זאת, ניקוי לייזר יכול להפחית את הזמן הזה ל-3-4 ימים, בהתאם לגודל המטוס, והוא גם הופך חלקים לנגישים יותר לעובדים. יתרה מזאת, בשימוש להסרת צבע במקום להפשטה או פיצוץ כימיים, ניקוי לייזר מציע חיסכון משמעותי בעלויות - אלפי פאונד לכל מטוס, מכיוון שהפסולת המסוכנת מצטמצמת בכ-90 אחוזים או יותר ודרישות הטיפול בחומרים מופחתות.

הצפה בלייזר/הצפה בלייזר

מתחים בתוך רכיבי מתכת יכולים להוביל לכשל של עייפות מתכת ברכיבי מטוס כגון להבי מאווררים במנועי סילון, שיש לו פוטנציאל לגרום נזק או פציעה. ניתן למתן את זה באמצעות טכניקה המכונה הצפה בלייזר.

בתהליך זה מכוונים פולסים של אור לייזר לאזור בעל ריכוז מתח גבוה, וכל פולס מצית פיצוץ זעיר של פלזמה בין פני השטח של הרכיב לשכבת מים המותזת למעלה. שכבת המים מגבילה את הפיצוץ, מה שגורם לגל ההלם לחדור אל הרכיב וליצור מתחים שיוריים דחיסה ככל ששטח ההתפשטות שלו מתרחב. מתחים אלו נוגדים סדקים וצורות אחרות של עייפות מתכת. בהשוואה לתהליכים מסורתיים, חיזוק לייזר יכול להאריך את חיי השירות של חלקי מתכת פי 10-15.

השימוש בלייזר נעשה יותר ויותר בשימוש בתעשייה האווירית. לדוגמה, LSP Technologies ואיירבוס פיתחו במשותף מערכת הצפה בלייזר ניידת שנבדקה והוקרה לאחרונה במתקן התחזוקה והתיקונים של איירבוס בטולוז, צרפת.

מערכת ההצצה בלייזר Leopard תאריך את חיי העייפות על ידי עיכוב התחלה והתפשטות של סדקים הנגרמים על ידי מתח רטט מחזורי. הגמישות של מסירת אלומת סיבים אופטיים וכלים מותאמים אישית מאפשרים למערכת להאיר בלייזר אזורים שקשה להגיע למטוסים. לדברי השותפים, המערכת מהווה פריצת דרך בטכנולוגיית חיזוק לייזר שתקדם את השימוש בה, לרבות הארכת חיי להבי מנועי סילון ועוד.

מרכז המוכנות של הצי האמריקני במזרח (FRCE) השלים לאחרונה גם אימות של תהליך הצפה של הלם לייזר ששימש בהצלחה במטוסי F-35B Lightning II. FRCE השתמשה בתהליך כדי לחזק את המסגרת של ה-F-35B Lightning II מבלי להוסיף חומר או משקל נוספים שאחרת יגבילו את יכולות נשיאת הדלק או הנשק שלו. זה עוזר להאריך את תוחלת החיים של מטוסי קרב מהדור החמישי, גרסאות ההמראה והנחיתה הקצרות המשמשות את חיל הנחתים האמריקאי.

Lקידוח aser

למנועי תעופה מודרניים יש כ-500,000 חורים, פי 100 בערך ממנועים שנבנו בשנות ה-80. במקביל, יצרני מטוסים מייצרים מספר הולך וגדל של רכיבים אחרים הכוללים מספר רב של חורים קדחו למסמרות והברגות. לכן, בתחום התעופה והחלל, לקידוח הלייזר יש פוטנציאל שוק עצום, מכיוון שהוא מספק תהליך מדויק, חוזר, מהיר וחסכוני.

לדוגמה, מערכות לייזר פמט-שנייה בעלות הספק גבוה מפותחות לקידוח מיקרו יעיל ומדויק של לוחות טיטניום HLFC (Hybrid Laminar Flow Control) גדולים להרכבה על מייצבי כנף או אמפנאז'. לוחות אלו שואבים אוויר דרך חורים קטנים, מה שמפחית גרר חיכוך ומפחית את צריכת הדלק.

מכיוון שקידוחי לייזר הם ללא מגע, אין צורך לתקן את החומר המעובד באותו אופן כפי שהוא עם כלים קונבנציונליים. יתרון נוסף של חוסר מגע הוא היעדר בלאי כלי עבודה, המייצג יתרון מיוחד בפעולות קידוח עבור רכיבי CFRP. בשל קשיותו, רכיבי CFRP יכולים להיות שוחקים מאוד לכלים קונבנציונליים. קידוחי לייזר יכולים להתבצע גם במהירויות גבוהות מאוד כך שנזק מוגזם מחום אינו פוגע בחומר המעובד.

Aייצור נוסף

ייצור תוסף לייזר (AM) פותח במהירות גם בתעשייה האווירית. בטכניקה זו, לייזרים ממיסים שכבות עוקבות של אבקה כדי לבנות צורות. חברת טילים שבסיסה בקליפורניה אפילו הזמינה לאחרונה שתי 12-מדפסות תלת מימד בקרן לייזר כדי להפוך את משימות החלל שלה לחסכוניות ויעילות יותר על ידי יצירת רכיבי חלל קלים, מהירים וחזקים יותר.

בעוד פרויקטים רבים עדיין בשלב הבדיקות, ייצור תוספים לייזר כבר נעשה שימוש בהצלחה בשתי משימות למאדים. רובר Curiosity של נאס"א, שנחת באוגוסט 2012, היה המשימה הראשונה להביא חלקים מודפסים בתלת מימד למאדים. זהו רכיב קרמי בתוך מכשיר ה-Sample Analysis at Mars (SAM), חלק מתוכנית בדיקות מתמשכת לחקור את האמינות של טכניקות ייצור תוספים.

בינתיים, רובר Perseverance של נאס"א, שנחת על מאדים בפברואר 2021, מכיל 11 חלקי מתכת שיוצרו בתוספת לייזרים. חמישה מהרכיבים הללו נמצאים במכשיר הפלנטרי של Perseverance לליטוכימיה של קרני רנטגן (PIXL), שמחפש סימנים של חיים מיקרוביאליים מאובנים על מאדים. חלקים אלה צריכים להיות כל כך קלים עד שטכניקות מסורתיות כגון פרזול, יציקה וחיתוך לא יוכלו לייצר אותם.

נאס"א ערכה גם ניסויים בייצור תוסף לייזר של רכיבי רקטות. במחקר אחד, תא הבעירה של מנוע רקטי הופק מסגסוגת נחושת. המשך הפיתוח של ייצור תוסף לייזר זה הביא לכך שהחלק יוצר בערך במחצית העלות ובשישית מהזמן הדרוש לעיבוד, צירוף והרכבה מסורתיים. מכיוון שסגסוגת הנחושת המשמשת היא מאוד רפלקטיבית ללייזרי אינפרא אדום, נאס"א חוקרת כעת כיצד לייזרים ירוקים או כחולים יכולים לשפר את היעילות והפרודוקטיביות.

בעוד שהשימוש בייצור תוסף בתעופה וחלל נמצא עדיין בשלביו הראשונים, הוא צפוי לגדול במהלך 20 השנים הבאות.

מרקם לייזר

מרקם לייזר הוא גם יישום חדש מאוד בתעשייה האווירית. בתהליך זה משתמשים בלייזרים מהירים במיוחד ליצירת מיקרו-ננו-מבנים על פני המטוס באמצעות טכניקה הנקראת Direct laser interference patterning (DLIP), המשמשת ליצירת "אפקט לוטוס" טבעי היוצר ננו-מבנים המסייעים במניעת פני שטח. זיהום ומניעת הצטברות קרח במטוסים.

אופטיקה חדשנית פיצלה דופק לייזר חזק במיוחד למספר קרניים חלקיות, אשר משולבות לאחר מכן על פני השטח לעיבוד. במבט תחת מיקרוסקופ, המיקרו-מבנה שנוצר דומה ל"אולמות" מיקרוסקופיים העשויים מ"עמודים" או גליים. המרחק בין ה"עמודים" הוא בערך 150 ננומטר עד 30 מיקרומטר - מבנה זה אומר שטיפות המים כבר לא יכולות להרטיב את המשטח ולהיצמד אליו כי אין להן מספיק אחיזה על פני השטח.

היתרונות של החומר למטוסים כוללים דחיית מים, קרח וחרקים מוגברת. אלה יכולים להיצמד לפני השטח של המטוס ולהגביר את התנגדות הרוח של המטוס, ובכך להגדיל את צריכת הדלק. יישום מרקם לייזר זה יפחית את הצורך בטיפולים כימיים רעילים המיושמים כיום על משטחי מטוסים כדי למנוע קרח. ידוע שהוא מזדקן ונוטה לנזק עם הזמן. יתר על כן, מבני לייזר המיוצרים בשיטת DLIP יכולים להחזיק מעמד לאורך שנים מבלי לגרום לחששות סביבתיים.