Additieve productie
Laser‑Gemaakte Keramiek Kan De Luchtvaart Revolutie Ontketenen
Waarom keramiek belangrijk is in de luchtvaart
Aerospace‑materialen gebruiken vaak zeldzame metalen, bijvoorbeeld titanium, rhenium, iridium, of wolfraam(volg de links voor een speciaal investeringsrapport over elk van deze zeldzame technologische metalen). Dit geeft de vliegtuig‑ en ruimteschipframes, turbines, reactoruitlaten en andere kritieke componenten de weerstand tegen hitte en mechanische spanning die nodig is voor de extreme omstandigheden die bij het vliegen vereist zijn.
Een andere categorie materiaal die wordt gebruikt, is keramiek. Deze materialen verschillen van metaal doordat de oorspronkelijke componenten vaak relatief gewone mineralen zijn. Echter, de juiste combinatie van mineralen die onder de juiste omstandigheden wordt geproduceerd, kan buitengewone eigenschappen hebben. Bijvoorbeeld, de meeste tegels die de extreme hitte van de terugkeer in de atmosfeer van ruimteschepen aankunnen, zijn gemaakt van keramiek.
Bron: NASA
Keramische materialen worden niet gesmolten (zoals metaal) maar gesinterd, een proces dat meer lijkt op de productie van glas. Alleen sommige van de gesmolten/vitreerde verbindingen houden de ongesmolten deeltjes bij elkaar.
Bron: Hengko
Bovendien vereist sinteren het plaatsen van de ruwe materialen in een oven die temperaturen van minstens 2.200 °C (4000 °F) kan bereiken. Het is een zeer energie‑intensief en tijdrovend proces.
Vier onderzoekers van de North Carolina State University hebben mogelijk een alternatieve methode ontdekt voor de productie van hoogwaardige luchtvaartkeramiek, met behulp van lasers.
They published their findings in the Journal of the American Ceramics Society1, under the title “Synthese van hafniumcarbide (HfC) via één‑staps selectieve laserreactie‑pyrolyse vanuit vloeibare polymeerprecursor”.
De Rol van UHTC’s in Luchtvaarttechniek
Waarom Traditionele Keramiekproductie Niet Volstaat
Ultrahoge‑temperatuur keramieken (UHTC’s) vormen een klasse materialen die zijn ontworpen om extreme omgevingen te weerstaan, dankzij hun uitzonderlijke thermische stabiliteit, hoge smeltpunten (>3000 °C), hoge sterkte en weerstand tegen oxidatie en thermische schokken.
Van deze materialen springt hafniumcarbide (HfC) eruit als een van de meest veelbelovende kandidaten, met een smeltpunt >3900 °C, evenals een hoge hardheid, elasticiteit en thermische geleidbaarheid.
Helaas is HfC tot nu toe moeilijk te produceren en daardoor zeer duur. Grootschalige productie van HfC met consistente kwaliteit is met name een probleem geweest, waarbij aanzienlijke microstructurele inconsistenties leiden tot structurele defecten.
Nieuwe technieken worden overwogen, met name oven‑gebaseerde polymer‑afgeleide keramiek (PDC), maar deze leveren slechts een slechte vloeistof‑naar‑keramiek opbrengst van 11 % tot 21 % op.
Naast deze productieproblemen zijn deze methoden niet compatibel met additive manufacturing (3D‑printen). Ze zijn dus alleen geschikt voor eenvoudige vormen die met mallen kunnen worden gemaakt, zoals massieve, cilindrische of kubieke geometrieën.
Hoe Lasersinteren Keramiekproductie Transformeert
Veel 3D‑printmethoden maken al gebruik van lasers om complexe vormen te creëren die met traditionele gieten en smeden onmogelijk zijn. Dit verandert radicaal hoe turbines voor straalmotoren en raketmotoren worden geproduceerd.
De onderzoekers overwogen de aanpak met een selectieve laserreactie‑pyrolyse (SLRP) methode.
In plaats van de meerdere stappen van ovenmethoden voor keramiekproductie, combineert dit in één stap de polymerconversie naar keramiek en pyrolyse.
De vloeibare precursor kan op het oppervlak van de structuur worden aangebracht en vervolgens met de laser worden gesinterd.
The laser used in the demonstration is relatively powerful for a laser (a 120 W (CO2) gas laser), but also very low energy compared to traditional furnaces used for hafnium carbide production.
Testen van Keramische Additieven voor Laserverwerking
Er werden ook twee additieven getest om te zien of het proces nog efficiënter kon worden gemaakt: dicumylperoxide (DCP), een thermische activator; en benzofoon (BZP), een foto‑activator.
DCP had op zijn best een minimaal effect, terwijl BZP de energie‑reflectie aanzienlijk vermindert, waardoor de absorptie van infrarode energie door de precursor wordt verbeterd.
Elektronenmicroscoopbeelden toonden een uniforme verdeling van bolvormige en gefacetteerde HfC‑korrels over alle temperatuurcondities (1700 °C, 1800 °C en 2000 °C). Grotere korrelclusters bij hogere temperaturen duiden op een dichtere keramiek.
“Dit is voor ons de eerste keer dat iemand erin slaagde HfC van deze kwaliteit te creëren vanuit een vloeibare polymerprecursor”
Lasersinteren vs. Oven: Welke is Beter?
Naast energiebesparing is het hier ontwikkelde lasersinteren veel efficiënter. Oven‑gebaseerd sinteren behaalt maximaal een ∼20 %–40 % cross‑gelinkte vloeistof‑naar‑keramiek opbrengst, terwijl laser‑gebaseerd sinteren een ∼50 %–55 % opbrengst bereikt.
Dit is ook veel sneller, aangezien ovens uren of zelfs meerdere dagen nodig hebben, terwijl de laser de taak in seconden of minuten uitvoert.
De piektemperatuur van de laser is bovendien hoger, waardoor complexere geometrieën, betere coatings, dunne films mogelijk zijn, en alles in slechts één stap kan worden uitgevoerd.
“Ten slotte is onze techniek relatief draagbaar. Ja, het moet in een inert omgeving gebeuren, maar het transporteren van een vacuümkamer en additive‑manufacturing apparatuur is veel gemakkelijker dan het transporteren van een krachtige, grootschalige oven.
Opkomende Toepassingen voor Lasersinterende Keramiek
Tot nu toe kon HfC alleen worden toegepast op substraten die de extreem hoge temperatuur van een oven gedurende een lange periode aankonden.
Het hier uitgevonden laserproces is veel minder destructief, waardoor een veel breder scala aan mogelijke toepassingen ontstaat.
“Omdat het sinterproces niet vereist dat de gehele structuur wordt blootgesteld aan de hitte van de oven, biedt de nieuwe techniek de mogelijkheid om ultra‑hoge‑temperatuur keramische coatings toe te passen op materialen die mogelijk beschadigd zouden worden door sinteren in een oven.”
Bijvoorbeeld, lasersinteren zou kunnen worden gebruikt om hoogwaardige HfC‑coatings te maken op koolstofvezel‑versterkte koolstofcomposieten (C/C):
“De HfC‑coatings op C/C‑substraten zijn bijzonder nuttig omdat, naast hypersonische toepassingen, koolstof/koolstof‑structuren worden gebruikt in raketmondstukken, remschijven en luchtvaart‑thermische beschermingssystemen zoals neusconussen en voorranden van vleugels.”
De kleinere omvang en draagbaarheid van het systeem kunnen ook een langdurig effect hebben op het technologische potentieel. Bijvoorbeeld, elke in‑situ productie van luchtvaartmaterialen op een maan‑ of marsbasis zou relatief kleine en lichtere apparatuur vereisen.
Investeren in Lasertechnologieën
II-VI Marlow / Coherent: Een Laser Technologie Leider
(COHR )
Coherent is een groot industrieel conglomeraat met meer dan 26.000 medewerkers en een leider in lasertechnologie. Het is ontstaan uit de fusie van het geavanceerde materiaalbedrijf II-VI Marlow met de laserfabrikant Coherent.
Het bedrijf is een expert in geavanceerde materialen die worden gebruikt in lasers, optica en fotonica, zoals indiumfosfide, epitaxiale wafers en galliumarsenide.
Het groeide grotendeels dankzij meerdere overnames in het afgelopen decennium, van $600 M omzet in 2013 tot $4,7 B in 2024.
Het bedrijf haalt 29 % van zijn omzet rechtstreeks uit lasers, terwijl de rest verband houdt met gerelateerde apparatuur zoals optische vezels en elektronica. De instrumentatie‑categorie omvat voornamelijk levenswetenschappen en medische toepassingen.
Bron: Coherent
De aanwezigheid van het bedrijf in geavanceerde materialen zoals thermofotovoltaïcs (waarover we in een eerder artikel spraken), siliciumcarbide, lasers en elektronica helpt het te profiteren van structurele trends zoals de groei van precisieproductie, additive manufacturing (3D‑printen), elektrificatie en hernieuwbare energieën.
Het bedrijf heeft onlangs zijn siliciumcarbide‑activiteiten gesplitst in een nieuwe entiteit, voor 75 % eigendom van Coherent, waarbij de rest gelijkelijk eigendom is van zijn partners Mitsubishi Electric (die siliciumcarbide‑vermogen‑IP levert) en Denso (die actief is als autosupplier op het gebied van elektrificatie en vermogenshalfgeleiders).
Dit komt doordat siliciumcarbide steeds meer een eigen technologie wordt, voornamelijk gebruikt in toepassingen met hoog vermogen zoals elektrische voertuigen, batterijen en hernieuwbare energie.
Coherent is een leider in LIDAR en 3D‑digitaal sensing, inclusief voor zelfrijdende toepassingen, biotech Next Generation Sequencing (NGS) Flow Cells, en lasers voor halfgeleiderproductie. Het verwacht dat de belangrijkste markten met 8‑20 % zullen groeien.
Bron: Coherent
De andere potentiële nieuwe toepassingen van lasers, zoals directe energie wapens, fotonische computing, kernfusie en ruimtevaarttechnologie, kunnen allemaal evenzeer bijdragen aan het langdurige groeipotentieel van het bedrijf.
Over het geheel genomen is Coherent zo dicht mogelijk bij een “pure play” beursgenoteerd laserbedrijf voor beleggers die in de sector geïnteresseerd zijn, met een sterke verticale integratie en meer dan 3.100 patenten die haar innovaties beschermen.
Laatste Coherent (COHR) Aandelen Nieuws en Ontwikkelingen
Studie Gerefereerd
1. halini Rajpoot, Kaushik Nonavinakere Vinod, Tiegang Fang, Chengying Xu. Synthese van hafniumcarbide (HfC) via één‑staps selectieve laserreactie‑pyrolyse vanuit vloeibare polymeerprecursor. Journal of the American Ceramics Society.14 mei 2025https://doi.org/10.1111/jace.20650
