בשנים האחרונות, תחום התעופה והחלל - לרבות מטוסים מסחריים וצבאיים, לוויינים, חלליות, מל"טים וכלי טיס בלתי מאוישים (מל"טים) - עבר כמה שינויים מפליגים. מספר הולך וגדל של חברות הצטרפו למירוץ החלל, שרבות מהן דורשות טכנולוגיות ייצור חדשניות.
לעומת זאת, ההשפעה של הגבלות נסיעה שנגרמו ממגפה על התעופה המסחרית הביאה לירידה של שליש בתעריפי ייצור המטוסים האזרחיים.
בשנת 2019, אירופה הייתה אחת המובילות בעולם בייצור מטוסים ומסוקים אזרחיים (כולל רכיבים שונים ומנועי מטוסים), סיפקה כ-400,000 מקומות עבודה ויצרה הכנסה של 130 מיליארד יורו. בעוד שחקר החלל וההגנה אינם מושפעים במידה רבה ממגיפת ה-New Crown, הייצור והייצור של מטוסים אזרחיים עדיין בשלב ההתאוששות.
בפרסום שלה בפברואר 2023, Uncertainty in Commercial Aerospace, חברת הייעוץ והמחקר המובילה מקינזי מדווחת שהעולם צריך לספוג צבר הזמנות לבניית 9,400 מטוסי נוסעים (בעיקר מטוסי צר-גוף) עד סוף 2027. אבל יש אי ודאות על הצמיחה העתידית של תחבורה נוסעים אווירית, שרשרת האספקה ותקינות כוח העבודה. כתוצאה מכך, יצרנים צריכים לשפר את הפרודוקטיביות והגמישות כדי להתמודד עם העומס ולהגיב לשינויים עתידיים בביקוש.
היכולת של עיבוד הלייזר להגדיל את הפרודוקטיביות ולשמור על עלויות נמוכות עשויה למלא תפקיד מפתח במתן מענה זה בתעשייה האווירית. עיבוד בלייזר - בצורת חיתוך, ריתוך, פעולות הצפה וקידוח - הפך לחלק בלתי נפרד מייצור תעופה וחלל.
לדוגמה, לייזרים משמשים לייצור דשי כנפיים של מטוסים, מחברי כנפיים, רכיבי מנועי סילון וחלקי מושבים, כמו גם לתיקון טורבינות, ניקוי או הסרת צבע מחלקים והכנת משטחי רכיבים לעיבוד נוסף. בשנים האחרונות, ייצור תוסף לייזר (AM) הפך פופולרי יותר ויותר גם בתחום הטיסות האוויריות והחלל. בנוסף, השוק רוצה לשפר את יכולת העקיבה של רכיבי תעופה וחלל, ובכך הביקוש לסימון לייזר הולך וגובר.
חיתוך וריתוך בלייזר
חיתוך בלייזר הוא תהליך מהיר, חסכוני ומדויק שניתן להשתמש בו כדי לעמוד בדרישות הייצור התובעניות של מגזר התעופה והחלל.
בהשוואה לעיבוד מסורתי, חיתוך לייזר מציע דיוק גבוה, פחות בזבוז חומר, מהירויות עיבוד מהירות יותר, עלויות נמוכות יותר ופחות תחזוקת ציוד. בנוסף, ניתן למקסם את הפרודוקטיביות מכיוון שהיא מאפשרת לבצע את כל השינויים הנדרשים בתהליך במהירות ובקלות.
הלייזר יכול לשמש לייצור חלקי מחברי כנפיים, חלקי מתקן, חלקי קצה, חלקי כלי עבודה וכו'. הוא מתאים באותה מידה לחלקים קטנים, כגון אטמי שמן שתל וסעפת צינורות טייטניום, כמו גם חלקים גדולים יותר, כגון כמו קונוסים פליטה. הוא יכול לעבד מגוון של חומרים תעופה וחלל, כולל אלומיניום, Hastelloy (ניקל שעבר סגסוגת 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) בייצור מטוסים מוערך יותר ויותר ומשמשים בכל מקום אפשרי להחלפת מפרקים משומרים. טכנולוגיות כמו ריתוך נדנדה בלייזר הצליחו גם בחיבורי מיכלי דלק, שיפור היעילות והחוזק של החיבור, צמצום העיבוד מחדש והקניית חיסכון משמעותי בעלויות. הצלחות ריתוך נוספות בתחום התעופה והחלל כוללות הצמדת ליבות יצוק של להבי טורבינה לכיסויים; ויצירת סוגים חדשים של דשי כנפיים קלים שמגבירים את בקרת הזרימה למינרית, ממזערים את הגרר ומייעלים את יעילות הדלק.
עם פוטנציאל לחיסכון בעלויות, הפחתת משקל רכיבים ואיכות ריתוך משופרת בהשוואה לשיטות המסורתיות, מספר יצרנים בשוק שוקלים אפילו כעת ריתוך לייזר עבור חלקי שלדות אוויר.
ניקוי בלייזר
יצרנים במגזר התעופה והחלל משתמשים בניקוי לייזר להסרת שכבות ממשטחי מתכת ומשטחים מרוכבים כהכנה לעיבוד שבבי, להסרת ציפויים או קורוזיה ולהסרת צבע מחלקים גדולים או ממטוסים שלמים לפני צביעה מחדש.
במהלך תהליך הניקוי, אור הלייזר נספג ומתנדף בשכבת פני השטח של המתכת, וכתוצאה מכך אבלציה של חומר פני השטח עם השפעה מועטה עד ללא השפעה על השכבה הפנימית וללא נזק תרמי נלווה לרכיב. לייזרים סיבים פועמים בדרגת קילוואט מתאימים במיוחד לניקוי לייזר מהיר - הם יכולים לנקות מגוון רחב של חומרים, כולל קרמיקה, חומרים מרוכבים, מתכות ופלסטיק, ביעילות ובדיוק גבוהים.
השימוש בחומרים מרוכבים במטוסים גדל בשנים האחרונות, וכך גם הצורך בחיבור מתכות לחומרים מרוכבים. בייצור תעופה וחלל, ניתן להשתמש בדבקים לחיבור שני החומרים השונים הללו, ועל מנת ליצור קשר חזק יש להכין את שני המשטחים בקפידה לעיבוד לפני יישום הדבק.
ניקוי בלייזר הוא האופציה האידיאלית מכיוון שהוא יוצר אפקט משטח מבוקר מאוד, שניתן לשחזר, המסוגל להשיג קשר עקבי וניתן לחיזוי. באופן מסורתי, זה היה מושג באמצעות טכניקות פיצוץ הרסניות או יישום של כמה כימיקלים. עם זאת, ניקוי לייזר מציע כעת גישה חד-שלבית שהיא לא רק חסכונית ויצרנית יותר, אלא גם בעלת השפעה סביבתית נמוכה בהרבה מכיוון שלא נדרשים כימיקלים רעילים או חומרי פיצוץ. ניקוי בלייזר הוא גם הרבה יותר עדין בחלקים מאשר בשיטות מסורתיות.
ניקוי בלייזר של מתכת ורכיבי מטוסים מרוכבים מועיל גם יותר מהפשטה כימית או טכניקות פיצוץ בכל הנוגע להפשטת צבע. במהלך חייו, מטוס עשוי להיצבע מחדש 4-5 פעמים, וייתכן שייקח שבוע או יותר להסיר צבע ממטוס שלם בטכניקות מסורתיות. לעומת זאת, ניקוי לייזר יכול להפחית את הזמן הזה ל-3-4 ימים, בהתאם לגודל המטוס, והוא גם נותן לעובדים גישה קלה יותר לחלקים. בנוסף, בשימוש להסרת צבע ולא להפשטה או פיצוץ כימיים, ניקוי לייזר יכול להביא לחיסכון משמעותי בעלויות – אלפי פאונד לכל מטוס – מכיוון שהפסולת המסוכנת מצטמצמת בכ-90 אחוזים או יותר ודרישות הטיפול בחומרים מצטמצמות.
פיצוץ בלייזר/הפיכת אימפקט בלייזר
מתחים בתוך רכיבי מתכת יכולים להוביל לכשל של עייפות מתכת ברכיבי מטוס כגון להבי מאווררים במנועי סילון, שעלולים לגרום לנזק או לפציעה. ניתן למתן את זה על ידי טכניקה המכונה הצפה בלייזר.
בתהליך זה מופנים פולסי לייזר לאזור בעל ריכוז מתח גבוה, וכל פולס מצית פיצוץ פלזמה זעיר בין משטח 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. חיטוי בלייזר יכול להאריך את חיי השירות של חלקי מתכת פי 10-15 בהשוואה לתהליכים קונבנציונליים.
השימוש בלייזר נעשה יותר ויותר 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 הופעה והתרחבות של סדקים הנגרמים על ידי מתחי רטט מחזוריים. הגמישות של אספקת אלומת סיבים אופטיים וכלי עבודה בהתאמה אישית מאפשרת למערכת לייזר אזורים שקשה להגיע אליהם במטוס. לדברי השותפים, המערכת מהווה פריצת דרך בטכנולוגיית ההצצה בלייזר ותקדם את השימוש בה, לרבות הארכת חיי להבי מנועי סילון, בין היתר.
מרכז מוכנות הצי האמריקני במזרח (FRCE) השלים לאחרונה גם אימות של תהליך חיזוק פגיעת 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 יכולת נשיאת הדלק או הנשק שלו. זה עוזר להאריך את תוחלת החיים של מטוס הקרב מהדור החמישי, גרסת ההמראה והנחיתה הקצרה המשמשת את חיל הנחתים האמריקאי.
קידוח בלייזר
למנועי תעופה מודרניים יש כ-500,000 חורים, בערך פי 100 ממספר המנועים שנבנו בשנות ה-80. במקביל, יצרני מטוסים מייצרים עוד ועוד רכיבים אחרים שיש להם מספר רב של חורים קדחו לחיבורים מסומרות ומוברגים. לקידוח בלייזר יש אפוא פוטנציאל שוק עצום בתחום התעופה והחלל מכיוון שהוא מציע תהליך מדויק, חוזר, מהיר וחסכוני.
לדוגמה, מפותחות מערכות לייזר פמטו-שניות חדשות בעלות הספק גבוה עבור מיקרו-קידוח יעיל ומדויק של לוחות טיטניום HLFC (Hybrid Laminar Flow Control) גדולים שיורכבו על מייצבי כנף או זנב. לוחות אלו שואבים אוויר דרך חורים קטנים, ובכך מפחיתים גרר חיכוך ומפחיתים את צריכת הדלק.
לייזר תמונה משמש יותר ויותר לקידוח רכיבי מטוסי CFRP
(קרדיט תמונה: לייזר סנטר האנובר)
מכיוון שקידוחי לייזר הם ללא מגע, אין צורך להחזיק את החומר המעובד באותו אופן כאילו היה מעובד בכלים קונבנציונליים. יתרון נוסף של חוסר המגע הוא שלא מתרחש בלאי של הכלים, מה שמייצג יתרון מסוים בפעולת קידוח רכיבי CFRP. בשל קשיותם, רכיבי CFRP יכולים לגרום לבלאי גבוה מאוד בכלים קונבנציונליים. ניתן לבצע קידוח בלייזר גם במהירויות גבוהות מאוד, כך שנזק מוגזם מחום אינו פוגע בחומר המעובד.
ייצור תוסף
ייצור תוסף לייזר (AM) צובר תאוצה מהירה גם בתעשייה האווירית. בטכניקה זו, לייזר ממיס שכבות רציפות של אבקה לבניית 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 שפרויקטים רבים עדיין בשלב הבדיקות, נעשה שימוש מוצלח בייצור תוסף לייזר בשתי משימות למאדים. רובר Curiosity של נאס"א, שנחת באוגוסט 2012, היה המשימה הראשונה לשאת חלקים מודפסים בתלת מימד למאדים. זהו רכיב קרמי בתוך מכשיר ה-Sample Analysis on Mars (SAM), חלק מתוכנית בדיקות מתמשכת לחקור את האמינות של טכנולוגיית ייצור תוסף.
בינתיים, רובר ה-Trailblazer של נאס"א, שנוחת על מאדים בפברואר 2021, מכיל 11 חלקי מתכת שיוצרו בתוסף לייזר. חמישה מהחלקים נמצאים במכשיר הפלנטרי של טרייל לליטוכימיה של קרני רנטגן (PIXL), שמחפש סימנים לחיים מאובנים מיקרוביאליים על מאדים. חלקים אלה צריכים להיות כל כך קלים עד שלא ניתן לייצר אותם בטכניקות פרזול, דפוס וחיתוך מסורתיות.
נאס"א ערכה גם ניסויים בייצור תוסף לייזר של רכיבי רקטות. במחקר אחד, תא הבעירה של מנוע רקטי היה עשוי מסגסוגת נחושת. המשך הפיתוח הזה של ייצור תוסף לייזר הביא לרכיב שניתן לייצר בכמחצית מהעלות ובשישית מהזמן הנדרש לעיבוד שבבי, צירוף והרכבה מסורתיים. מכיוון שסגסוגות הנחושת המשמשות משקפות מאוד לייזרים 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.
גרסת לייזר
גרוס בלייזר הוא גם יישום חדש מאוד בתעשייה האווירית. בתהליך זה, משתמשים בלייזרים מהירים במיוחד ליצירת מיקרו-ננו-מבנים על משטחי מטוסים באמצעות טכניקה הידועה כ-direct laser interferometric patterning (DLIP), המשמשת ליצירת "אפקט לוטוס" טבעי, יצירת ננו-מבנים המסייעים במניעת זיהום פני השטח וקרח. הצטברות על המטוס.
האופטיקה החדשנית פיצלה דופק לייזר חזק במיוחד למספר קרניים חלקיות, אשר משולבות לאחר מכן על פני השטח המעובדים. במבט תחת מיקרוסקופ, המיקרו-מבנה שנוצר דומה ל"אולם" מיקרוסקופי של "עמודים" או אדוות. המרחק בין ה"עמודים" הוא בין כ-150 ננומטר ל-30 מיקרומטר - מבנה שמשמעותו טיפות מים כבר לא מרטיבות את המשטח ונצמדות אליו כי אין להן מספיק אחיזה על המשטח.
היתרונות של חומר זה עבור המטוס כוללים דחייה מוגברת של מים, קרח וחרקים. אלו יכולים להיצמד לפני השטח של המטוס ולהגביר את התנגדות המטוס לרוח, ובכך להגדיל את צריכת הדלק. היישום של מרקם לייזר זה יצמצם את הצורך בטיפולים כימיים רעילים המיושמים כיום על משטחי מטוסים כדי למנוע קרח. ידוע שהוא מתדרדר עם הזמן ונוטה לנזק. יתר על כן, מבני לייזר המיוצרים בשיטת DLIP יכולים להחזיק מעמד מספר שנים ואינם גורמים לבעיות סביבתיות.
