Produzione additiva
Le Ceramiche Realizzate con Laser Potrebbero Rivoluzionare l’Aerospazio
Aggiungi Securities.io alle tue fonti preferite su Google
Perché le Ceramiche Sono Importanti nell’Aerospazio
Aerospace materials often use rare metals, for example, titanio, renio, iridio, or tungsteno(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.
Un’altra categoria di materiale utilizzato è la ceramica. Questi materiali differiscono dal metallo perché i componenti iniziali sono spesso minerali relativamente ordinari. Tuttavia, la giusta combinazione di minerali prodotta nelle condizioni adeguate può avere proprietà straordinarie. Ad esempio, la maggior parte delle piastrelle in grado di gestire il calore estremo del rientro nell’atmosfera delle navicelle spaziali è realizzata in ceramica.
Fonte: NASA
I materiali ceramici non vengono fusi (come il metallo) ma sinterizzati, un processo più simile a quello della produzione del vetro. Solo alcuni dei composti fusi/vitrificati tengono insieme particelle non fuse.
Source: Hengko
Inoltre, la sinterizzazione richiede di collocare le materie prime in un forno che può raggiungere temperature di almeno 2.200 °C (4.000°F). È un processo molto dispendioso in termini di energia e tempo.
Quattro ricercatori della North Carolina State University potrebbero aver scoperto un metodo alternativo per la produzione di ceramiche aerospaziali ad alte prestazioni, utilizzando laser.
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”.
Il Ruolo degli UHTC nell’Ingegneria Aerospaziale
Perché la Produzione Tradizionale di Ceramica è Insufficiente
Le ceramiche ad altissime temperature (UHTC) sono una classe di materiali progettati per resistere a ambienti estremi, grazie alla loro eccezionale stabilità termica, ai punti di fusione elevati (>3000°C), all’alta resistenza e alla resistenza all’ossidazione e allo shock termico.
Tra questi materiali, il carburo di afnio (HfC) si distingue come uno dei candidati più promettenti, con un punto di fusione >3900°C, oltre a una forte durezza, elasticità e conduttività termica.
Sfortunatamente, l’HfC è finora stato difficile da produrre e molto costoso di conseguenza. La produzione su larga scala di HfC di qualità costante è stata particolarmente problematica, con significative incoerenze microstrutturali che portano a difetti strutturali.
Si stanno valutando nuove tecniche, in particolare la ceramica derivata da polimeri basata su forno (PDC), ma queste producono solo un rendimento liquido‑a‑ceramica scarso, dall’11% al 21%.
Oltre a questi problemi di produzione, questi metodi non sono compatibili con la manifattura additiva (stampa 3D). Pertanto sono compatibili solo con forme semplici realizzabili con stampi, come geometrie massicce, cilindriche o cubiche.
Come la Sinterizzazione Laser Trasforma la Produzione di Ceramica
Molti metodi di stampa 3D sfruttano già il laser per creare forme complesse altrimenti impossibili con le tecniche tradizionali di stampaggio e forgiatura. Questo sta cambiando radicalmente il modo in cui le turbine dei motori a reazione e i motori dei razzi vengono prodotti.
I ricercatori hanno considerato l’approccio usando un metodo di pirolisi di reazione laser selettiva (SLRP).
Invece dei molteplici passaggi dei metodi a forno per la produzione di ceramica, questo realizza in un unico passo la conversione del polimero in ceramica e la pirolisi.
Il precursore liquido può essere applicato sulla superficie della struttura e poi sinterizzato con il laser.
Il laser utilizzato nella dimostrazione è relativamente potente per un laser (un laser a gas CO2 da 120 W), ma anche a energia molto bassa rispetto ai forni tradizionali usati per la produzione di carburo di afnio.
Testare gli Additivi Ceramici per la Lavorazione Laser
Sono stati inoltre testati due additivi per verificare se il processo potesse diventare ancora più efficiente: dicumile perossido (DCP), un attivatore termico; e benzofenone (BZP), un foto‑attivatore.
Il DCP ha avuto al massimo un effetto minimo, mentre il BZP riduce significativamente la riflessione dell’energia, migliorando l’assorbimento dell’energia infrarossa da parte del precursore.
Le immagini al microscopio elettronico hanno mostrato una distribuzione uniforme di grani di HfC sferici e sfaccettati in tutte le condizioni di temperatura (1700°C, 1800°C e 2000°C). Cluster di grani più grandi a temperature più elevate indicano una ceramica più densa.
“Questa è la prima volta, a nostra conoscenza, che qualcuno è riuscito a creare HfC di questa qualità da un precursore polimerico liquido”
Sinterizzazione Laser vs. Forno: Qual è la Migliore?
Oltre a risparmiare energia, la sinterizzazione laser sviluppata qui è molto più efficiente. La sinterizzazione basata su forno ottiene al massimo un rendimento liquido‑a‑ceramica incrociato di ∼20%–40%, mentre la sinterizzazione laser raggiunge un rendimento di ∼50%–55%.
È anche molto più veloce, poiché i forni richiedono ore o addirittura diversi giorni, mentre il laser esegue il compito in secondi o minuti.
La temperatura di picco del laser è anche più alta, consentendo geometrie più complesse, rivestimenti migliori, film sottili e lavori in un unico passo.
“Infine, la nostra tecnica è relativamente portatile. Sì, deve essere eseguita in un ambiente inerte, ma trasportare una camera a vuoto e apparecchiature di manifattura additiva è molto più facile rispetto al trasportare un forno potente e di grandi dimensioni.
Applicazioni Emergenti per le Ceramiche Sinterizzate con Laser
Finora, l’HfC è stato possibile applicare solo su substrati in grado di sopportare l’estremamente alta temperatura di un forno per un lungo periodo.
Il processo laser inventato qui è molto meno distruttivo, creando un ambito di possibili applicazioni molto più ampio.
“Poiché il processo di sinterizzazione non richiede l’esposizione dell’intera struttura al calore del forno, la nuova tecnica promette di consentirci di applicare rivestimenti ceramici ultra‑alta temperatura a materiali che potrebbero essere danneggiati dalla sinterizzazione in forno.”
Ad esempio, la sinterizzazione laser potrebbe essere utilizzata per creare rivestimenti HfC di alta qualità su compositi di carbonio rinforzati con fibra di carbonio (C/C):
“I rivestimenti HfC su substrati C/C sono particolarmente utili perché, oltre alle applicazioni ipersoniche, le strutture carbonio/carbonio sono usate nei ugelli dei razzi, nei dischi dei freni e nei sistemi di protezione termica aerospaziale come i coni di prua e i bordi d’attacco delle ali.”
Le dimensioni ridotte e la portabilità del sistema potrebbero anche avere un effetto a lungo termine sul potenziale tecnologico. Ad esempio, qualsiasi produzione in situ di materiali aerospaziali su basi lunari o marziane richiederebbe apparecchiature relativamente piccole e più leggere.
Investire nelle Tecnologie Laser
II-VI Marlow / Coherent: Un Leader Tecnologico nel Laser
COHR Grafico dei prezzi
Coherent è un grande conglomerato industriale con oltre 26.000 dipendenti e leader nella tecnologia laser. È nato dalla fusione del materiale avanzato II-VI (COHR ) Marlow con il produttore di laser Coherent.
L’azienda è esperta in materiali avanzati utilizzati in laser, ottica e fotonica, come fosfuro di indio, wafer epitassiali e arsenico di gallio.
È cresciuta notevolmente grazie a numerose acquisizioni nell’ultimo decennio, passando da 600 M$ di fatturato nel 2013 a 4,7 M$ nel 2024
L’azienda ricava il 29 % del suo fatturato direttamente dai laser, mentre il resto è legato a apparecchiature associate come fibra ottica ed elettronica. La categoria strumentazione comprende principalmente applicazioni nelle scienze della vita e mediche.
Source: Coherent
La presenza dell’azienda in materiali avanzati come i termofotovoltaici (di cui abbiamo discusso in un articolo precedente), il carburo di silicio, i laser e l’elettronica le consente di beneficiare di tendenze strutturali come la crescita della produzione di precisione, della manifattura additiva (stampa 3D), dell’elettrificazione e delle energie rinnovabili.
L’azienda ha recentemente separato la sua attività di carburo di silicio in una nuova entità, posseduta al 75 % da Coherent, con il resto posseduto equamente dai suoi partner Mitsubishi Electric (che porta la proprietà intellettuale di potenza del carburo di silicio) e Denso (che porta la sua attività come fornitore automobilistico nell’elettrificazione e nei semiconduttori di potenza).
Ciò avviene perché il carburo di silicio sta diventando sempre più una tecnologia autonoma, utilizzata principalmente in applicazioni ad alta potenza come veicoli elettrici, batterie e energia rinnovabile.
Coherent è un leader nel LIDAR e nella sensoristica digitale 3D, inclusa per le applicazioni di guida autonoma, biotech Next Generation Sequencing (NGS) Flow Cells, e laser per la produzione di semiconduttori. Prevede che i suoi mercati principali cresceranno dell’8‑20 %.
Source: Coherent
Le altre potenziali nuove applicazioni dei laser, come armi a energia diretta, calcolo fotonico, fusione nucleare e tecnologie spaziali, potrebbero tutte contribuire a sostenere la crescita a lungo termine dell’azienda.
In generale, Coherent è il più vicino possibile a una società laser “pure play” quotata in borsa per gli investitori interessati al settore, con una forte integrazione verticale e oltre 3.100 brevetti che proteggono le sue innovazioni.
Ultime Notizie e Sviluppi sulle Azioni Coherent (COHR)
Studio di Riferimento
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 maggio 2025https://doi.org/10.1111/jace.20650
