التصنيع بالإضافة
السيراميك المصنوع بالليزر قد يثوّر صناعة الطيران والفضاء
لماذا السيراميك مهم في مجال الطيران والفضاء
Aerospace materials often use rare metals, for example, التيتانيوم, الرينيوم, الإريديوم, or التنغستن (follow the links for a dedicated investment report about each of these rare technological metals). This gives the planes and spaceship frames, turbines, reactor exhausts, and other critical components the resistance to heat and mechanical stress required by the extreme conditions required for flying.
فئة أخرى من المواد المستخدمة هي السيراميك. تختلف هذه المواد عن المعادن في أن المكونات الأولية غالبًا ما تكون معادن عادية نسبياً. ومع ذلك، يمكن أن يكون للمزيج المناسب من المعادن المنتجة في الظروف المناسبة خصائص استثنائية. على سبيل المثال، معظم البلاطات التي تستطيع تحمل الحرارة الشديدة عند إعادة الدخول إلى الغلاف الجوي للمركبات الفضائية مصنوعة من السيراميك.
المصدر: NASA
مواد السيراميك لا تُذاب (مثل المعادن) بل تُلبد، وهي عملية تشبه أكثر طريقة إنتاج الزجاج. فقط بعض المركبات المذابة/المزججة تُحافظ على تماسك الجسيمات غير المذوبة.
المصدر: Hengko
بالإضافة إلى ذلك، يتطلب التلبيد وضع المواد الخام في فرن يمكنه الوصول إلى درجات حرارة لا تقل عن 2200 °C (4000 °F). إنها عملية مستهلكة للطاقة وتستغرق وقتًا طويلاً.
قد يكون أربعة باحثين من جامعة ولاية كارولينا الشمالية قد اكتشفوا طريقة بديلة لإنتاج سيراميك الطيران عالي الأداء باستخدام الليزر.
They published their findings in the Journal of the American Ceramics Society1, under the title “تصنيع كربيد الهافنيوم (HfC) عبر تفاعل ليزر انتقائي خطوة واحدة بالتحليل الحراري من سلف بوليمري سائل”.
دور السيراميك عالي الحرارة (UHTCs) في هندسة الطيران والفضاء
لماذا تصنيع السيراميك التقليدي غير كافٍ
Ultrahigh-temperature ceramics (UHTCs) are a class of materials designed to withstand extreme environments, due to their exceptional thermal stability, high melting points (>3000°C), high strength, and resistance to oxidation and thermal shock.
السيراميك عالي الحرارة الفائقة (UHTCs) هو فئة من المواد صُممت لتحمل البيئات القاسية، بفضل استقرارها الحراري الاستثنائي، وارتفاع نقاط انصهارها (>3000 °C)، وقوتها العالية، ومقاومتها للأكسدة والصدمات الحرارية.
من بين هذه المواد، يبرز كربيد الهافنيوم (HfC) كأحد أكثر المرشحين واعدة، حيث يمتلك نقطة انصهار >3900 °C، بالإضافة إلى صلابة قوية، ومرونة، وتوصيل حراري عالي.
للأسف، كان من الصعب حتى الآن إنتاج HfC وكان مكلفًا جدًا نتيجة لذلك. إن إنتاج HfC على نطاق واسع بجودة ثابتة كان مشكلة خاصة، حيث تؤدي عدم التناسق الميكروهيكلي الكبير إلى عيوب هيكلية.
تُدرس تقنيات جديدة، لا سيما السيراميك المستمد من البوليمر القائم على الأفران (PDC)، لكنها تُنتج فقط عائد سائل إلى سيراميك منخفض يتراوح بين 11% إلى 21%.
بالإضافة إلى مشكلات الإنتاج هذه، فإن هذه الأساليب غير متوافقة مع التصنيع الإضافي (الطباعة ثلاثية الأبعاد). لذا فهي متوافقة فقط مع الأشكال البسيطة القابلة للتصنيع بالقوالب، مثل الكتل الضخمة، أو الأشكال الأسطوانية، أو المكعبة.
كيف يغيّر التلبيد بالليزر إنتاج السيراميك
Many 3D printing methods already leverage laser for creating complex shapes otherwise impossible with traditional molding and forging techniques. This is radically changing how jet engine turbines and rocket engines are being produced.
تستفيد العديد من طرق الطباعة ثلاثية الأبعاد بالفعل من الليزر لإنشاء أشكال معقدة لا يمكن تحقيقها بالطرق التقليدية للقوالب والطرق. هذا يغيّر جذريًا طريقة إنتاج توربينات محركات الطائرات النفاثة ومحركات الصواريخ.
The researchers considered the approach using a selective laser reaction pyrolysis (SLRP) method.
بدلاً من الخطوات المتعددة لطرق الأفران في صناعة السيراميك، يدمج هذا في خطوة واحدة تحويل البوليمر إلى سيراميك والتحليل الحراري.
يمكن تطبيق السلف السائل على سطح الهيكل ثم تلبيده بالليزر.
The laser used in the demonstration is relatively powerful for a laser (a 120W (CO2) gas laser), but also very low energy compared to traditional furnaces used for hafnium carbide production.
اختبار الإضافات السيراميكية لمعالجة الليزر
Two additives were also tested to see if the process could be made even more efficient: dicumyl peroxide (DCP), a thermal activator; and benzophenone (BZP), a photo-activator.
تم اختبار إضافتين أيضًا لمعرفة ما إذا كان بالإمكان جعل العملية أكثر كفاءة: بيروكسيد ديكوميل (DCP)، منشط حراري؛ والبنزوفيون (BZP)، منشط ضوئي.
DCP had at best a minimal effect, while BZP significantly reduces energy reflection, enhancing the precursor’s absorption of infrared energy.
أظهرت صور المجهر الإلكتروني توزيعًا موحدًا لحبوب HfC الكروية والمسطحة عبر جميع ظروف الحرارة (1700 °C، 1800 °C، و2000 °C). تشير تجمعات الحبوب الأكبر عند درجات الحرارة الأعلى إلى سيراميك أكثر كثافة.
“هذه هي المرة الأولى التي نعرفها حيث تمكن شخص ما من إنشاء HfC بهذه الجودة من سلف بوليمري سائل”
Cheryl Xu – أستاذة الهندسة الميكانيكية والفضائية في جامعة ولاية كارولينا الشمالية.
التلبيد بالليزر مقابل الفرن: أيهما أفضل؟
Besides saving energy, the laser sintering developed here is much more efficient. Furnace-based sintering achieves a ∼20%–40% crosslinked liquid-to-ceramic yield at best, while laser-based sintering achieves a ∼50%–55% yield.
إلى جانب توفير الطاقة، فإن التلبيد بالليزر المطور هنا أكثر كفاءة بكثير. يحقق التلبيد القائم على الأفران عائد سائل إلى سيراميك متقاطع يتراوح بين ~20%–40% في أفضل الأحوال، بينما يحقق التلبيد القائم على الليزر عائدًا يتراوح بين ~50%–55%.
كما أن العملية أسرع بكثير، فالأفران تحتاج لساعات أو حتى عدة أيام، بينما ينفذ الليزر المهمة في ثوانٍ أو دقائق.
The peak temperature of the laser is also higher, allowing for more complex geometries, better coatings, thin films, and work in only one step.
“أخيرًا، تقنيتنا قابلة للنقل نسبيًا. نعم، يجب إجراؤها في بيئة خالية من التفاعل، لكن نقل حجرة تفريغ ومعدات التصنيع الإضافي أسهل بكثير من نقل فرن قوي وكبير النطاق.”
Cheryl Xu – أستاذة الهندسة الميكانيكية والفضائية في جامعة ولاية كارولينا الشمالية.
التطبيقات الناشئة للسيراميك الملبد بالليزر
So far, HfC has only been possible to apply on substrates that could handle the extremely hot temperature of a furnace for a lengthy period of time.
حتى الآن، كان من الممكن تطبيق HfC فقط على الركائز التي يمكنها تحمل درجة الحرارة الشديدة للفرن لفترة طويلة.
The laser process invented here is a lot less destructive, creating a much wider realm of possible applications.
عملية الليزر التي تم اختراعها هنا أقل تدميرًا بكثير، مما يخلق مجالًا أوسع بكثير من التطبيقات الممكنة.
“نظرًا لأن عملية التلبيد لا تتطلب تعريض الهيكل بالكامل لحرارة الفرن، فإن التقنية الجديدة تحمل وعدًا بتمكيننا من تطبيق طلاءات سيراميك فائقة الحرارة على مواد قد تتضرر من التلبيد في فرن.”
Cheryl Xu – أستاذة الهندسة الميكانيكية والفضائية في جامعة ولاية كارولينا الشمالية.
For example, laser sintering could be used to create high-quality HfC coatings of carbon-fiber-reinforced carbon composites (C/C):
“تُعد طلاءات HfC على ركائز C/C مفيدة بشكل خاص لأنه، بالإضافة إلى التطبيقات الفائقة السرعة، تُستخدم هياكل الكربون/الكربون في فوهات الصواريخ، وأقراص الفرامل، وأنظمة الحماية الحرارية في الفضاء مثل أقماع الأنف وحواف الأجنحة الأمامية.”
Cheryl Xu – أستاذة الهندسة الميكانيكية والفضائية في جامعة ولاية كارولينا الشمالية.
يمكن أن يكون للحجم الأصغر وقابلية النقل للنظام تأثير طويل الأمد على إمكانات التقنية. على سبيل المثال، أي إنتاج في الموقع للمواد الجوية على قواعد القمر أو المريخ سيتطلب معدات أصغر وزنًا وخفيفة نسبيًا.
الاستثمار في تقنيات الليزر
II-VI Marlow / Coherent: قائد تقني في مجال الليزر
(COHR )
Coherent هي مجموعة صناعية كبيرة تضم أكثر من 26,000 موظف وتُعد رائدة في تكنولوجيا الليزر. نتجت عن دمج مادة متقدمة II-VI Marlow مع صانع الليزر Coherent.
الشركة خبيرة في المواد المتقدمة المستخدمة في الليزر، والبصريات، والفوتونيات، مثل الفسفيد الإنديوم، والرواف الوبائية، والزرنيخ الغاليوم.
نمت الشركة إلى حد كبير بفضل عدة عمليات استحواذ خلال العقد الماضي، من إيرادات بلغت 600 مليون دولار في عام 2013 إلى 4.7 مليار دولار في عام 2024.
تحقق الشركة 29% من إيراداتها مباشرة من الليزر، بينما يرتبط الباقي بالمعدات المرتبطة مثل الألياف البصرية والإلكترونيات. تشمل فئة الأجهزة في الغالب تطبيقات العلوم الحياتية والطب.
المصدر: Coherent
وجود الشركة في المواد المتقدمة مثل الخلايا الحرارية الضوئية (التي ناقشناها في مقال سابق)، وكربيد السيليكون، والليزر، والإلكترونيات يساعدها على الاستفادة من الاتجاهات الهيكلية مثل نمو التصنيع الدقيق، والتصنيع الإضافي (الطباعة ثلاثية الأبعاد)، والكهربائية، والطاقة المتجددة.
قامت الشركة مؤخرًا بفصل أعمال كربيد السيليكون إلى كيان جديد، تمتلكه Coherent بنسبة 75%، بينما يمتلك الشركاء Mitsubishi Electric (الذي يجلب حقوق ملكية طاقة كربيد السيليكون) و Denso (الذي يجلب نشاطه كمورد للسيارات في مجال الكهرباء وأشباه الموصلات القوية) النسبة المتبقية بالتساوي.
ذلك لأن كربيد السيليكون أصبح تقنية مستقلة بشكل متزايد، يُستخدم غالبًا في التطبيقات عالية القدرة مثل السيارات الكهربائية، والبطاريات، والطاقة المتجددة.
Coherent رائدة في مجال LIDAR والاستشعار الرقمي ثلاثي الأبعاد، بما في ذلك لتطبيقات القيادة الذاتية، وتقنية تسلسل الجيل التالي (NGS) في مجال التكنولوجيا الحيوية، والليزر لتصنيع أشباه الموصلات. تتوقع أن تنمو أسواقها الرئيسية بنسبة 8-20%.
المصدر: Coherent
التطبيقات المحتملة الأخرى الجديدة للليزر مثل الأسلحة ذات الطاقة المباشرة، والحوسبة الضوئية، والاندماج النووي، وتكنولوجيا الفضاء، يمكن أن تساعد جميعها في دعم النمو طويل الأجل للشركة.
بشكل عام، تُعد Coherent أقرب ما يمكن إلى شركة ليزر عامة “نقية” للمستثمرين المهتمين بالقطاع، مع تكامل عمودي قوي وأكثر من 3,100 براءة اختراع تحمي ابتكاراتها.
آخر أخبار وتطورات سهم Coherent (COHR)
الدراسة المشار إليها
1. halini Rajpoot, Kaushik Nonavinakere Vinod, Tiegang Fang, Chengying Xu. تصنيع كربيد الهافنيوم (HfC) عبر تفاعل ليزر انتقائي خطوة واحدة بالتحليل الحراري من سلف بوليمري سائل. Journal of the American Ceramics Society.14 May 2025https://doi.org/10.1111/jace.20650
