Fabricación aditiva
Los Cerámicos Fabricados con Láser Podrían Revolucionar la Industria Aeroespacial
Por Qué las Cerámicas Importan en la Industria Aeroespacial
Los materiales aeroespaciales a menudo utilizan metales raros, por ejemplo, titanio, renio, iridio, o tungsteno (siga los enlaces para obtener un informe de inversión dedicado sobre cada uno de estos metales tecnológicos raros). Esto proporciona a los fuselajes de aviones y naves espaciales, turbinas, escapes de reactores y otros componentes críticos la resistencia al calor y al esfuerzo mecánico requeridos por las condiciones extremas necesarias para volar.
Otra categoría de material utilizada son las cerámicas. Estos materiales difieren de los metales en que los componentes iniciales suelen ser minerales relativamente comunes. Sin embargo, la combinación adecuada de minerales producida en las condiciones correctas puede tener propiedades extraordinarias. Por ejemplo, la mayoría de los azulejos que pueden soportar el calor extremo de la reentrada atmosférica de las naves espaciales están hechos de cerámica.
Fuente: NASA
Los materiales cerámicos no se funden (como el metal) sino que se sinterizan, un proceso más parecido al de la producción de vidrio. Sólo algunos de los compuestos fundidos/vitrificados mantienen unidos partículas no fundidas.
Fuente: Hengko
Además, la sinterización requiere colocar las materias primas en un horno que pueda alcanzar temperaturas de al menos 2.200 °C (4.000 °F). Es un proceso muy intensivo en energía y que consume mucho tiempo.
Cuatro investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte podrían haber descubierto un método alternativo para la producción de cerámicas aeroespaciales de alto rendimiento, utilizando láseres.
Publicaron sus hallazgos en el Journal of the American Ceramics Society1, bajo el título “Síntesis de carburo de hafnio (HfC) mediante pirólisis de reacción láser selectiva de un paso a partir de precursor polimérico líquido”.
El Papel de los UHTC en la Ingeniería Aeroespacial
Por Qué la Fabricación Tradicional de Cerámicas Se Queda Corto
Las cerámicas de ultra alta temperatura (UHTC) son una clase de materiales diseñados para soportar entornos extremos, debido a su excepcional estabilidad térmica, altos puntos de fusión (>3000 °C), alta resistencia y resistencia a la oxidación y al choque térmico.
De estos materiales, el carburo de hafnio (HfC) destaca como uno de los candidatos más prometedores, con un punto de fusión >3900 °C, además de una gran dureza, elasticidad y conductividad térmica.
Desafortunadamente, el HfC ha sido hasta ahora difícil de producir y, como resultado, muy caro. La producción a gran escala de HfC de calidad constante ha sido especialmente problemática, con inconsistencias microestructurales significativas que conducen a defectos estructurales.
Se están considerando nuevas técnicas, notablemente las cerámicas derivadas de polímeros basadas en hornos (PDC), pero sólo producen un bajo rendimiento de líquido a cerámica de entre 11 % y 21 %.
Además de estos problemas de producción, estos métodos no son compatibles con la fabricación aditiva (impresión 3D). Por lo tanto, sólo son compatibles con formas simples realizables con moldes, como geometrías masivas, cilíndricas o cúbicas.
Cómo la Sinterización Láser Transforma la Producción de Cerámicas
Muchos métodos de impresión 3D ya aprovechan el láser para crear formas complejas que de otro modo serían imposibles con técnicas tradicionales de moldeo y forjado. Esto está cambiando radicalmente la forma en que se producen las turbinas de motores a reacción y los motores de cohetes.
Los investigadores consideraron el enfoque mediante un método de pirólisis de reacción láser selectiva (SLRP).
En lugar de los múltiples pasos de los métodos de horno para la fabricación de cerámicas, esto realiza en un solo paso la conversión del polímero a cerámica y la pirólisis.
El precursor líquido puede aplicarse a la superficie de la estructura y luego sinterizarse con el láser.
El láser utilizado en la demostración es relativamente potente para un láser (un láser de gas CO2 de 120 W), pero también de muy baja energía en comparación con los hornos tradicionales usados para la producción de carburo de hafnio.
Probando Aditivos Cerámicos para el Procesamiento Láser
También se probaron dos aditivos para ver si el proceso podía hacerse aún más eficiente: dicumil peróxido (DCP), un activador térmico; y bencofenona (BZP), un fotoactivador.
El DCP tuvo como máximo un efecto mínimo, mientras que el BZP reduce significativamente la reflexión de energía, mejorando la absorción de energía infrarroja del precursor.
Imágenes de microscopio electrónico mostraron una distribución uniforme de granos de HfC esféricos y facetados en todas las condiciones de temperatura (1700 °C, 1800 °C y 2000 °C). Los conglomerados de granos más grandes a temperaturas más altas indican una cerámica más densa.
“Esta es la primera vez que conocemos en la que alguien pudo crear HfC de esta calidad a partir de un precursor polimérico líquido”
Sinterización Láser vs. Horno: ¿Cuál es Mejor?
Además de ahorrar energía, la sinterización láser desarrollada aquí es mucho más eficiente. La sinterización basada en horno alcanza un rendimiento de líquido a cerámica cruzado de aproximadamente 20 %–40 % como máximo, mientras que la sinterización basada en láser logra un rendimiento de aproximadamente 50 %–55 %.
Esto también es mucho más rápido, ya que los hornos requieren horas o incluso varios días, mientras que el láser realiza la tarea en segundos o minutos.
La temperatura máxima del láser también es mayor, lo que permite geometrías más complejas, mejores recubrimientos, películas delgadas y trabajar en un solo paso.
“Por último, nuestra técnica es relativamente portátil. Sí, debe realizarse en un entorno inerte, pero transportar una cámara de vacío y equipos de fabricación aditiva es mucho más fácil que transportar un horno potente y de gran escala.”
Aplicaciones Emergentes para Cerámicas Sinterizadas con Láser
Hasta ahora, el HfC sólo ha sido posible aplicar en sustratos que podían soportar la temperatura extremadamente alta de un horno durante un período prolongado.
El proceso láser inventado aquí es mucho menos destructivo, creando un ámbito mucho más amplio de posibles aplicaciones.
“Porque el proceso de sinterización no requiere exponer toda la estructura al calor del horno, la nueva técnica promete permitirnos aplicar recubrimientos cerámicos de ultra alta temperatura a materiales que podrían dañarse al sinterizarse en un horno.”
Por ejemplo, la sinterización láser podría usarse para crear recubrimientos de HfC de alta calidad en composites de carbono reforzado con fibra de carbono (C/C):
“Los recubrimientos de HfC en sustratos C/C son particularmente útiles porque, además de aplicaciones hipersónicas, las estructuras de carbono/carbono se utilizan en toberas de cohetes, discos de freno y sistemas de protección térmica aeroespacial como conos de nariz y bordes de ataque de alas.”
El menor tamaño y la portabilidad del sistema también podrían tener un efecto a largo plazo en el potencial tecnológico. Por ejemplo, cualquier producción in situ de materiales aeroespaciales en bases lunares o marcianas requeriría equipos relativamente pequeños y más ligeros.
Invertir en Tecnologías Láser
II-VI Marlow / Coherent: Un Líder Tecnológico en Láser
(COHR )
Coherent es un gran conglomerado industrial con más de 26.000 empleados y un líder en tecnología láser. Resultó de la fusión del material avanzado II-VI Marlow con el fabricante de láseres Coherent.
La empresa es experta en materiales avanzados utilizados en láseres, óptica y fotónica, como fosfuro de indio, obleas epitaxiales y arseniuro de galio.
Creció considerablemente gracias a múltiples adquisiciones durante la última década, pasando de 600 M$ en ingresos en 2013 a 4,7 B$ en 2024.
La compañía obtiene el 29 % de sus ingresos directamente de los láseres, con el resto vinculado a equipos asociados como fibra óptica y electrónica. La categoría de instrumentación incluye principalmente aplicaciones en ciencias de la vida y medicina.
Fuente: Coherent
La presencia de la empresa en materiales avanzados como la termofotovoltaica (que discutimos en un artículo anterior), carburo de silicio, láseres y electrónica le ayuda a beneficiarse de tendencias estructurales como el crecimiento de la fabricación de precisión, la fabricación aditiva (impresión 3D), la electrificación y las energías renovables.
La compañía ha separado recientemente su negocio de carburo de silicio en una nueva entidad, de la cual Coherent posee el 75 %, y el resto es propiedad equitativa de sus socios Mitsubishi Electric (que aporta la propiedad intelectual de potencia de carburo de silicio) y Denso (que aporta su actividad como proveedor automotriz en electrificación y semiconductores de potencia).
Esto se debe a que el carburo de silicio se está convirtiendo cada vez más en una tecnología propia, utilizada principalmente en aplicaciones de alta potencia como vehículos eléctricos, baterías y energía renovable.
Coherent es un líder en LIDAR y detección digital 3D, incluyendo aplicaciones de conducción autónoma, biotecnología Next Generation Sequencing (NGS) Flow Cells, y láseres para la fabricación de semiconductores. Espera que sus principales mercados crezcan entre un 8 % y un 20 %.
Fuente: Coherent
Otras posibles nuevas aplicaciones de los láseres, como armas de energía directa, computación fotónica, fusión nuclear y tecnología espacial, también podrían ayudar a sostener el crecimiento a largo plazo de la empresa.
En general, Coherent es lo más cercano a una empresa de láseres cotizada en bolsa “pure play” para los inversores interesados en el sector, con una fuerte integración vertical y más de 3.100 patentes que protegen sus innovaciones.
Últimas Noticias y Desarrollos de Acciones de Coherent (COHR)
Estudio Referenciado
1. halini Rajpoot, Kaushik Nonavinakere Vinod, Tiegang Fang, Chengying Xu. Síntesis de carburo de hafnio (HfC) mediante pirólisis de reacción láser selectiva de un paso a partir de precursor polimérico líquido. Journal of the American Ceramics Society.14 de mayo de 2025https://doi.org/10.1111/jace.20650
