Additive Fertigung
Lasergefertigte Keramiken könnten die Luft- und Raumfahrt revolutionieren
Warum Keramiken in der Luft- und Raumfahrt wichtig sind
Aerospace materials often use rare metals, for example, Titan, Rhenium, Iridium, or Wolfram (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.
Eine weitere Materialkategorie sind Keramiken. Diese Materialien unterscheiden sich von Metallen dadurch, dass die Ausgangskomponenten oft relativ gewöhnliche Mineralien sind. Doch die richtige Kombination von Mineralien, die unter den richtigen Bedingungen hergestellt wird, kann außergewöhnliche Eigenschaften besitzen. Zum Beispiel werden die meisten Fliesen, die die extreme Hitze des Wiedereintritts von Raumfahrzeugen in die Atmosphäre bewältigen können, aus Keramik hergestellt.
Quelle: NASA
Keramische Materialien werden nicht geschmolzen (wie Metall), sondern gesintert, ein Prozess, der dem der Glasherstellung ähnlicher ist. Nur einige der geschmolzenen/vitrifizierten Verbindungen halten ungeschmolzene Partikel zusammen.
Quelle: Hengko
Zusätzlich erfordert das Sintern das Platzieren der Rohmaterialien in einem Ofen, der Temperaturen von mindestens 2.200 °C (4.000 °F) erreichen kann. Es ist ein sehr energieintensiver und zeitaufwändiger Prozess.
Vier Forscher der North Carolina State University könnten eine alternative Methode zur Herstellung von Hochleistungskeramiken für die Luft- und Raumfahrt entdeckt haben, bei der Laser eingesetzt werden.
They published their findings in the Journal of the American Ceramics Society1, under the title “Synthesis of hafnium carbide (HfC) via one-step selective laser reaction pyrolysis from liquid polymer precursor”.
Die Rolle von UHTCs im Luft- und Raumfahrt‑Engineering
Warum traditionelle Keramikherstellung unzureichend ist
Ultrahochtemperaturkeramiken (UHTCs) sind eine Materialklasse, die für extreme Umgebungen ausgelegt ist, dank ihrer außergewöhnlichen thermischen Stabilität, hohen Schmelzpunkte (>3000 °C), hohen Festigkeit und Beständigkeit gegen Oxidation und thermischen Schock.
Unter diesen Materialien sticht Hafniumkarbid (HfC) als einer der vielversprechendsten Kandidaten hervor, mit einem Schmelzpunkt >3900 °C sowie hoher Härte, Elastizität und thermischer Leitfähigkeit.
Leider ist HfC bisher schwer herzustellen und daher sehr teuer. Die großtechnische Produktion von HfC in gleichbleibender Qualität ist besonders problematisch, da erhebliche mikrostrukturelle Inkonsistenzen zu strukturellen Defekten führen.
Neue Techniken werden in Betracht gezogen, insbesondere ofenbasierte polymerabgeleitete Keramiken (PDC), aber sie führen nur zu einer geringen Ausbeute von flüssig zu Keramik von 11 % bis 21 %.
Zusätzlich zu diesen Produktionsproblemen sind diese Verfahren nicht mit der additiven Fertigung (3D‑Druck) kompatibel. Daher eignen sie sich nur für einfache Formen, die mit Formen hergestellt werden können, wie massive, zylindrische oder kubische Geometrien.
Wie Lasersintern die Keramikproduktion transformiert
Viele 3D‑Druckverfahren nutzen bereits Laser, um komplexe Formen zu erzeugen, die mit herkömmlichen Guss‑ und Schmiedetechniken unmöglich wären. Das verändert grundlegend, wie Turbinen für Strahltriebwerke und Raketentriebwerke hergestellt werden.
Die Forscher prüften den Ansatz mit einer selektiven Laser‑Reaktions‑Pyrolyse‑Methode (SLRP).
Statt der mehreren Schritte der Ofenverfahren für die Keramikherstellung fasst dieser Ansatz die Polymer‑Umwandlung zu Keramik und die Pyrolyse in einem einzigen Schritt zusammen.
Der flüssige Vorläufer kann auf die Oberfläche der Struktur aufgetragen und anschließend mit dem Laser gesintert werden.
Der im Versuch eingesetzte Laser ist für einen Laser relativ leistungsstark (ein 120 W CO₂‑Gaslaser), jedoch im Vergleich zu herkömmlichen Öfen, die für die Hafniumkarbid‑Produktion verwendet werden, sehr energiearm.
Testen von keramischen Additiven für die Laserbearbeitung
Zwei Additive wurden ebenfalls getestet, um zu prüfen, ob der Prozess noch effizienter gestaltet werden kann: Dicumylperoxid (DCP), ein thermischer Aktivator; und Benzophenon (BZP), ein photoaktivierter Aktivator.
DCP hatte höchstens einen minimalen Effekt, während BZP die Energiereflexion deutlich reduziert und die Absorption der Infrarotenergie durch den Vorläufer verbessert.
Elektronenmikroskopaufnahmen zeigten eine gleichmäßige Verteilung von kugelförmigen und facettierten HfC‑Körnern bei allen Temperaturbedingungen (1700 °C, 1800 °C und 2000 °C). Größere Körnercluster bei höheren Temperaturen deuten auf eine dichtere Keramik hin.
„Dies ist das erste Mal, dass wir wissen, dass jemand in der Lage war, HfC dieser Qualität aus einem flüssigen Polymervorläufer herzustellen“
Lasersintern vs. Ofen: Was ist besser?
Neben der Energieeinsparung ist das hier entwickelte Lasersintern deutlich effizienter. Ofenbasiertes Sintern erreicht höchstens eine vernetzte Ausbeute von etwa 20 %–40 % (flüssig zu Keramik), während lasersintern etwa 50 %–55 % erzielt.
Außerdem ist es viel schneller, da Öfen Stunden oder sogar mehrere Tage benötigen, während der Laser die Aufgabe in Sekunden oder Minuten erledigt.
Die Spitzentemperatur des Lasers ist ebenfalls höher, was komplexere Geometrien, bessere Beschichtungen, Dünnschichten und die Durchführung in nur einem Schritt ermöglicht.
„Abschließend ist unsere Technik relativ portabel. Ja, sie muss in einer Inertumgebung durchgeführt werden, aber den Transport einer Vakuumkammer und von Additiv‑Fertigungsausrüstung ist viel einfacher als der Transport eines leistungsstarken, großflächigen Ofens.“
Aufkommende Anwendungen für lasersinterte Keramiken
Bisher konnte HfC nur auf Substraten angewendet werden, die die extrem hohen Temperaturen eines Ofens über einen langen Zeitraum aushalten.
Der hier erfundene Laserprozess ist deutlich weniger zerstörerisch und eröffnet ein viel breiteres Spektrum möglicher Anwendungen.
„Da der Sinterprozess nicht erfordert, dass die gesamte Struktur der Ofenhitze ausgesetzt wird, bietet die neue Technik das Potenzial, ultra‑hochtemperatur‑Keramikbeschichtungen auf Materialien aufzubringen, die durch das Sintern in einem Ofen beschädigt werden könnten.“
Zum Beispiel könnte Lasersintern verwendet werden, um hochwertige HfC‑Beschichtungen von kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoffverbundwerkstoffen (C/C) zu erzeugen:
„Die HfC‑Beschichtungen auf C/C‑Substraten sind besonders nützlich, da Kohlenstoff/Kohlenstoff‑Strukturen neben hyperschall‑Anwendungen in Raketendüsen, Bremsscheiben und thermischen Schutzsystemen der Luft‑ und Raumfahrt wie Nasenkegeln und Vorderkanten von Tragflächen eingesetzt werden.“
Die kleinere Größe und Portabilität des Systems könnte ebenfalls langfristig das technologische Potenzial beeinflussen. Beispielsweise würde jede In‑Situ‑Produktion von Luft‑ und Raumfahrtmaterialien auf Mond‑ oder Marsbasen relativ kleine und leichtere Ausrüstung erfordern.
Investitionen in Lasertechnologien
II-VI Marlow / Coherent: Ein Laser‑Technologie‑Führer
(COHR )
Coherent ist ein großes Industrie‑Konglomerat mit über 26.000 + Mitarbeitern und ein führendes Unternehmen im Bereich Lasertechnologie. Es entstand aus der Fusion des High‑Tech‑Materials II‑VI Marlow mit dem Lasermacher Coherent.
Das Unternehmen ist Experte für fortschrittliche Materialien, die in Lasern, Optik und Photonik verwendet werden, wie Indiumphosphid, epitaktische Wafer und Galliumnarsenid.
Es wuchs vor allem dank zahlreicher Akquisitionen im letzten Jahrzehnt, von 600 Mio. $ Umsatz im Jahr 2013 auf 4,7 Mrd. $ im Jahr 2024.
Das Unternehmen erzielt 29 % seiner Einnahmen direkt aus Lasern, während der Rest mit zugehöriger Ausrüstung wie optischen Fasern und Elektronik verbunden ist. Die Kategorie Instrumentierung umfasst hauptsächlich Anwendungen in den Lebenswissenschaften und der Medizintechnik.
Quelle: Coherent
Die Präsenz des Unternehmens in fortschrittlichen Materialien wie Thermophotovoltaik (wie wir in einem vorherigen Artikel besprochen haben), Siliziumkarbid, Lasern und Elektronik ermöglicht es, von strukturellen Trends wie dem Wachstum der Präzisionsfertigung, der additiven Fertigung (3D‑Druck), der Elektrifizierung und erneuerbaren Energien zu profitieren.
Das Unternehmen hat kürzlich sein Siliziumkarbid‑Geschäft in ein neues Unternehmen ausgegliedert, das zu 75 % von Coherent gehalten wird, während der Rest zu gleichen Teilen von den Partnern Mitsubishi Electric (die Siliziumkarbid‑Leistungspatente einbringen) und Denso (die als Automobilzulieferer im Bereich Elektrifizierung und Leistungshalbleiter aktiv sind) gehalten wird.
Dies liegt daran, dass Siliziumkarbid zunehmend eine eigenständige Technologie ist, die hauptsächlich in Hochleistungsanwendungen wie Elektrofahrzeugen, Batterien und erneuerbarer Energie eingesetzt wird.
Coherent ist ein führendes Unternehmen im Bereich LIDAR und 3D‑digitales Sensing, einschließlich Anwendungen für autonomes Fahren, Biotech‑Next‑Generation‑Sequencing (NGS) Flow‑Cells und Laser für die Halbleiterfertigung. Es erwartet, dass seine Hauptmärkte mit 8‑20 % wachsen.
Quelle: Coherent
Weitere potenzielle neue Anwendungen von Lasern wie Direktenergie‑Waffen, photonisches Rechnen, Kernfusion und Raumfahrttechnologie könnten ebenfalls das langfristige Wachstum des Unternehmens unterstützen.
Insgesamt ist Coherent das, was einem „Pure‑Play“-börsennotierten Laserunternehmen für Investoren, die an diesem Sektor interessiert sind, am nächsten kommt, mit starker vertikaler Integration und über 3.100 Patenten, die seine Innovationen schützen.
Neueste Coherent (COHR) Aktiennachrichten und Entwicklungen
Studie referenziert
1. halini Rajpoot, Kaushik Nonavinakere Vinod, Tiegang Fang, Chengying Xu. Synthesis of hafnium carbide (HfC) via one-step selective laser reaction pyrolysis from liquid polymer precursor. Journal of the American Ceramics Society. 14 May 2025https://doi.org/10.1111/jace.20650
