Fabrication additive
Les céramiques fabriquées par laser pourraient révolutionner l’aérospatiale
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Pourquoi les céramiques comptent dans l’aérospatiale
Les matériaux aérospatiaux utilisent souvent des métaux rares, par exemple, titane, rhénium, iridium, ou tungstène (suivez les liens pour un rapport d’investissement dédié à chacun de ces métaux technologiques rares). Cela confère aux cadres d’avions et de vaisseaux spatiaux, aux turbines, aux échappements de réacteurs et à d’autres composants critiques la résistance à la chaleur et aux contraintes mécaniques requises par les conditions extrêmes nécessaires au vol.
Une autre catégorie de matériau utilisée est la céramique. Ces matériaux diffèrent du métal en ce que les composants initiaux sont souvent des minéraux relativement ordinaires. Cependant, la bonne combinaison de minéraux produite dans les bonnes conditions peut offrir des propriétés extraordinaires. Par exemple, la plupart des tuiles capables de supporter la chaleur extrême de la rentrée atmosphérique des vaisseaux spatiaux sont fabriquées en céramique.
Source: NASA
Les matériaux céramiques ne sont pas fondus (comme le métal) mais frittés, un processus plus similaire à la fabrication du verre. Seuls certains des composés fondus/vitrifiés maintiennent ensemble les particules non fondues.
Source: Hengko
De plus, le frittage nécessite de placer les matières premières dans un four capable d’atteindre des températures d’au moins 2 200 °C (4 000°F). C’est un processus très énergivore et chronophage.
Quatre chercheurs de l’Université d’État de Caroline du Nord pourraient avoir découvert une méthode alternative pour la production de céramiques aérospatiales haute performance, en utilisant des lasers.
Ils ont publié leurs résultats dans le Journal of the American Ceramics Society1, sous le titre « Synthesis of hafnium carbide (HfC) via one-step selective laser reaction pyrolysis from liquid polymer precursor».
Le rôle des UHTC dans l’ingénierie aérospatiale
Pourquoi la fabrication traditionnelle de céramiques est insuffisante
Les céramiques ultra‑haute température (UHTC) sont une classe de matériaux conçus pour résister à des environnements extrêmes, grâce à leur stabilité thermique exceptionnelle, leurs points de fusion élevés (>3000 °C), leur grande résistance et leur résistance à l’oxydation et aux chocs thermiques.
Parmi ces matériaux, le carbure de hafnium (HfC) se distingue comme l’un des candidats les plus prometteurs, avec un point de fusion >3900 °C, ainsi qu’une dureté, une élasticité et une conductivité thermique élevées.
Malheureusement, le HfC a jusqu’à présent été difficile à produire et très coûteux en conséquence. La production à grande échelle de HfC de qualité constante a particulièrement posé problème, avec d’importantes incohérences microstructurales entraînant des défauts structurels.
De nouvelles techniques sont envisagées, notamment les céramiques dérivées de polymères (PDC) à base de four, mais elles ne donnent qu’un rendement liquide‑vers‑céramique médiocre de 11 % à 21 %.
En plus de ces problèmes de production, ces méthodes ne sont pas compatibles avec la fabrication additive (impression 3D). Elles ne sont donc compatibles qu’avec des formes simples réalisables avec des moules, comme des géométries massives, cylindriques ou cubiques.
Comment le frittage laser transforme la production de céramiques
De nombreuses méthodes d’impression 3D utilisent déjà le laser pour créer des formes complexes autrement impossibles avec les techniques traditionnelles de moulage et de forgeage. Cela change radicalement la façon dont les turbines de moteurs à réaction et les moteurs de fusée sont produits.
Les chercheurs ont envisagé l’approche utilisant une pyrolyse par réaction laser sélective (SLRP).
Au lieu des multiples étapes des méthodes à four pour la fabrication de céramiques, cela réalise en une seule étape la conversion du polymère en céramique et la pyrolyse.
Le précurseur liquide peut être appliqué à la surface de la structure puis fritté avec le laser.
Le laser utilisé dans la démonstration est relativement puissant pour un laser (un laser à gaz CO2 de 120 W), mais consomme également très peu d’énergie comparé aux fours traditionnels utilisés pour la production de carbure de hafnium.
Test des additifs céramiques pour le traitement laser
Deux additifs ont également été testés pour voir si le processus pouvait être rendu encore plus efficace : le peroxyde de dicumyle (DCP), un activateur thermique ; et le benzophénone (BZP), un photo‑activateur.
Le DCP n’a eu qu’un effet minimal au mieux, tandis que le BZP réduit significativement la réflexion d’énergie, améliorant l’absorption du précurseur d’énergie infrarouge.
Les images au microscope électronique ont montré une distribution uniforme de grains HfC sphériques et facettés à toutes les températures (1700 °C, 1800 °C et 2000 °C). Des agrégats de grains plus gros à des températures plus élevées indiquent une céramique plus dense.
« C’est la première fois que nous connaissons où quelqu’un a pu créer du HfC de cette qualité à partir d’un précurseur polymère liquide »
Frittage laser vs. four : lequel est meilleur ?
En plus d’économiser de l’énergie, le frittage laser développé ici est beaucoup plus efficace. Le frittage basé sur le four atteint un rendement liquide‑vers‑céramique croisé d’environ 20 %–40 % au mieux, tandis que le frittage basé sur le laser atteint un rendement d’environ 50 %–55 %.
C’est également beaucoup plus rapide, les fours nécessitant des heures voire plusieurs jours, tandis que le laser exécute la tâche en secondes ou minutes.
La température maximale du laser est également plus élevée, permettant des géométries plus complexes, de meilleurs revêtements, des films minces, et un travail en une seule étape.
« Enfin, notre technique est relativement portable. Oui, elle doit être réalisée dans un environnement inerte, mais transporter une chambre à vide et un équipement de fabrication additive est beaucoup plus facile que de transporter un four puissant et de grande échelle. »
Applications émergentes des céramiques frittées par laser
Jusqu’à présent, le HfC n’a pu être appliqué que sur des substrats capables de supporter la température extrêmement élevée d’un four pendant une longue période.
Le processus laser inventé ici est beaucoup moins destructeur, ouvrant un champ d’applications possibles beaucoup plus large.
« Parce que le processus de frittage ne nécessite pas d’exposer toute la structure à la chaleur du four, la nouvelle technique promet de nous permettre d’appliquer des revêtements céramiques ultra‑haute température à des matériaux qui pourraient être endommagés par le frittage dans un four. »
Par exemple, le frittage laser pourrait être utilisé pour créer des revêtements HfC de haute qualité sur des composites carbone renforcé de fibre de carbone (C/C) :
« Les revêtements HfC sur des substrats C/C sont particulièrement utiles car, en plus des applications hypersoniques, les structures carbone/carbone sont utilisées dans les tuyères de fusée, les disques de frein et les systèmes de protection thermique aérospatiaux tels que les cônes de nez et les bords d’attaque des ailes. »
La petite taille et la portabilité du système pourraient également avoir un effet à long terme sur le potentiel technologique. Par exemple, toute production in situ de matériaux aérospatiaux sur des bases lunaires ou martiennes nécessiterait un équipement relativement petit et plus léger.
Investir dans les technologies laser
II-VI Marlow / Coherent: Un leader technologique laser
COHR Graphique du prix
Coherent est un grand conglomérat industriel avec plus de 26 000 employés et un leader dans la technologie laser. Il résulte de la fusion du matériau avancé II-VI (COHR ) Marlow avec le fabricant de lasers Coherent.
L’entreprise est experte en matériaux avancés utilisés dans les lasers, l’optique et la photonique, tels que le phosphure d’indium, les plaquettes épitaxiales et l’arséniure de gallium.
Elle a fortement grandi grâce à de multiples acquisitions au cours de la dernière décennie, passant de 600 M$ de chiffre d’affaires en 2013 à 4,7 M$ en 2024.
L’entreprise tire 29 % de ses revenus directement des lasers, le reste étant lié à des équipements associés comme les fibres optiques et l’électronique. La catégorie instrumentation comprend principalement les sciences de la vie et les applications médicales.
Source: Coherent
La présence de l’entreprise dans les matériaux avancés comme les thermophotovoltaïques (que nous avons décrits dans un article précédent), le carbure de silicium, les lasers et l’électronique l’aide à profiter des tendances structurelles telles que la croissance de la fabrication de précision, la fabrication additive (impression 3D), l’électrification et les énergies renouvelables.
L’entreprise a récemment séparé son activité de carbure de silicium en une nouvelle entité, détenue à 75 % par Coherent, le reste étant détenu à parts égales par ses partenaires Mitsubishi Electric (apportant la propriété intellectuelle du carbure de silicium) et Denso (apportant son activité de fournisseur automobile dans l’électrification et les semi‑conducteurs de puissance).
Cela s’explique par le fait que le carbure de silicium devient de plus en plus une technologie autonome, principalement utilisée dans les applications haute puissance comme les véhicules électriques, les batteries et les énergies renouvelables.
Coherent est un leader dans le LIDAR et la détection numérique 3D, y compris pour les applications de conduite autonome, biotechnologie Next Generation Sequencing (NGS) Flow Cells, et les lasers pour la fabrication de semi‑conducteurs. Elle prévoit que ses principaux marchés croîtront de 8 % à 20 %.
Source: Coherent
Les autres applications potentielles nouvelles des lasers, telles que les armes à énergie dirigée, l’informatique photonique, la fusion nucléaire et les technologies spatiales, pourraient toutes contribuer à soutenir la croissance à long terme de l’entreprise.
Dans l’ensemble, Coherent est aussi proche qu’on puisse être d’une société laser « pure play » cotée en bourse pour les investisseurs intéressés par le secteur, avec une forte intégration verticale et plus de 3 100 brevets protégeant ses innovations.
Dernières nouvelles et développements des actions Coherent (COHR)
Étude référencée
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 mai 2025https://doi.org/10.1111/jace.20650
