Additiv produksjon
Laserprodusert keramikk kan revolusjonere luftfart
Legg til Securities.io blant dine foretrukne kilder på Google
Hvorfor keramikk er viktig i luftfart
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.
En annen materialkategori som brukes er keramikk. Disse materialene er forskjellige fra metall ved at de opprinnelige komponentene ofte er relativt vanlige mineraler. Men den rette kombinasjonen av mineraler produsert under riktige forhold kan ha ekstraordinære egenskaper. For eksempel er de fleste flisene som kan håndtere den ekstreme varmen ved atmosfærisk gjeninntreden for romskip laget av keramikk.
Source: NASA
Keramiske materialer smeltes ikke (som metall) men sinteres, en prosess som er mer lik hvordan glass produseres. Kun noen av de smeltede/vitrifiserte forbindelsene holder sammen umeltede partikler.
Source: Hengko
I tillegg krever sintring at råmaterialene plasseres i en ovn som kan nå temperaturer på minst 2 200 °C (4 000 °F). Det er en svært energikrevende og tidskrevende prosess.
Fire forskere ved North Carolina State University kan ha oppdaget en alternativ metode for produksjon av høyytelses luftfartskeramikk ved hjelp av lasere.
They published their findings in the Journal of the American Ceramics Society1, under the title “Syntese av hafniumkarbid (HfC) via ett-trinns selektiv laserreaksjons-pyrolyse fra flytende polymerforløper”.
UHTC-ers rolle i luftfartsingeniørkunst
Hvor tradisjonell keramikkproduksjon svikter
Ultrahøye temperaturkeramikk (UHTC) er en klasse av materialer designet for å tåle ekstreme miljøer, på grunn av deres eksepsjonelle termiske stabilitet, høye smeltepunkter (>3000 °C), høy styrke og motstand mot oksidasjon og termisk sjokk.
Av disse materialene skiller hafniumkarbid (HfC) seg ut som en av de mest lovende kandidatene, med et smeltepunkt >3900 °C, samt høy hardhet, elastisitet og termisk ledningsevne.
Dessverre har HfC hittil vært vanskelig å produsere og derfor svært dyrt. Storskala produksjon av HfC med konsistent kvalitet har spesielt vært et problem, med betydelige mikrostrukturelle inkonsistenser som fører til strukturelle defekter.
Nye teknikker vurderes, spesielt ovnsbasert polymeravledet keramikk (PDC), men de gir kun en dårlig væske‑til‑keramikk‑utbytte på 11 % til 21 %.
I tillegg til disse produksjonsproblemene er metodene ikke kompatible med additiv produksjon (3D‑utskrift). Så de er kun kompatible med enkle former som kan lages med støpemaler, som massivt, sylindrisk eller kubisk geometri.
Hvordan lasersintring forvandler keramikkproduksjon
Mange 3D‑utskriftsmetoder utnytter allerede laser for å lage komplekse former som ellers er umulige med tradisjonell støping og smiing. Dette endrer radikalt hvordan turbiner for jetmotorer og rakettmotorer produseres.
Forskerne vurderte tilnærmingen ved bruk av en selektiv laserreaksjons‑pyrolyse (SLRP)-metode.
I stedet for de flere trinnene i ovnsmetoder for keramikkproduksjon, gjør dette polymerkonverteringen til keramikk og pyrolyse i ett trinn.
Den flytende forløperen kan påføres overflaten av strukturen og deretter sinteres med laser.
Laseren som ble brukt i demonstrasjonen er relativt kraftig for en laser (en 120 W (CO₂) gasslaser), men også svært lav energi sammenlignet med tradisjonelle ovner som brukes til produksjon av hafniumkarbid.
Testing av keramiske additiver for laserbehandling
Two additives were also tested to see if the process could be made even more efficient: dicumyl peroxide (DCP), a thermal activator; and benzophenone (BZP), a photo-activator.
DCP had at best a minimal effect, while BZP significantly reduces energy reflection, enhancing the precursor’s absorption of infrared energy.
Elektronmikroskopbilder viste en jevn fordeling av sfæriske og fasetterte HfC‑korn under alle temperaturforhold (1700 °C, 1800 °C og 2000 °C). Større kornklynger ved høyere temperaturer indikerer en tettere keramikk.
«Dette er første gang vi kjenner til at noen har kunnet lage HfC av denne kvaliteten fra en flytende polymerforløper»
Cheryl Xu – professor i mekanisk og romfartsingeniør ved North Carolina State University.
Lasersintring vs. ovn: Hva er best?
I tillegg til å spare energi, er lasersintringen som er utviklet her mye mer effektiv. Ovnsbasert sintring oppnår maksimalt et ∼20 %–40 % kryssbundet væske‑til‑keramikk‑utbytte, mens laserbasert sintring oppnår et ∼50 %–55 % utbytte.
Dette er også mye raskere, da ovner krever timer eller til og med flere dager, mens laser utfører oppgaven på sekunder eller minutter.
Laserens maksimaltemperatur er også høyere, noe som gjør det mulig med mer komplekse geometrier, bedre belegg, tynne filmer, og arbeid i kun ett trinn.
«Til slutt er teknikken vår relativt bærbar. Ja, den må utføres i et inert miljø, men transport av et vakuumkammer og additiv produksjonsutstyr er mye enklere enn å transportere en kraftig, storstilt ovn.
Cheryl Xu – professor i mekanisk og romfartsingeniør ved North Carolina State University.
Fremvoksende anvendelser for lasersinterte keramikk
Hittil har HfC kun kunnet påføres på substrater som kan håndtere den ekstremt høye temperaturen i en ovn over en lengre periode.
Laserprosessen som er oppfunnet her er mye mindre destruktiv, og skaper et mye bredere spekter av mulige anvendelser.
«Fordi sintringsprosessen ikke krever at hele strukturen utsettes for ovnens varme, gir den nye teknikken løfter om at vi kan påføre ultra‑høye temperaturkeramiske belegg på materialer som kan bli skadet ved sintring i en ovn.»
Cheryl Xu – professor i mekanisk og romfartsingeniør ved North Carolina State University.
For eksempel kan lasersintring brukes til å lage høykvalitets HfC‑belegg på karbonfiberforsterkede karbonkompositter (C/C):
«HfC‑belegg på C/C‑substrater er spesielt nyttig fordi, i tillegg til hypersoniske anvendelser, karbon/karbon‑strukturer brukes i rakettmunninger, bremseplater og luftfarts termiske beskyttelsessystemer som nesekjegler og vingespisser.»
Cheryl Xu – professor i mekanisk og romfartsingeniør ved North Carolina State University.
Den mindre størrelsen og bærbarheten til systemet kan også ha en langsiktig effekt på teknologipotensialet. For eksempel vil enhver in‑situ produksjon av luftfartsmaterialer på en måne‑ eller marsbase kreve relativt små og lettere utstyr.
Investere i laserteknologier
II-VI Marlow / Coherent: En ledende laserteknologileverandør
COHR Prisdiagram
Coherent er et stort industrielt konglomerat med over 26 000 ansatte og en leder innen laserteknologi. Det oppsto fra fusjonen av avanserte materialer II-VI (COHR ) Marlow med laserprodusenten Coherent.
Selskapet er ekspert på avanserte materialer som brukes i lasere, optikk og fotonikk, som indiumfosfid, epitaksiale wafere og galliumarsenid.
Det vokste i stor grad takket være flere oppkjøp det siste tiåret, fra 600 millioner dollar i inntekter i 2013 til 4,7 milliarder dollar i 2024.
Selskapet får 29 % av inntektene sine direkte fra lasere, mens resten er knyttet til tilhørende utstyr som optisk fiber og elektronikk. Instrumentasjonskategorien omfatter hovedsakelig livsvitenskap og medisinske anvendelser.
Source: Coherent
Selskapets tilstedeværelse i avanserte materialer som termofotovoltaikk (som vi diskuterte i en tidligere artikkel), silisiumkarbid, lasere og elektronikk hjelper det å dra nytte av strukturelle trender som veksten innen presisjonsproduksjon, additiv produksjon (3D‑utskrift), elektrifisering og fornybar energi.
Selskapet har nylig skilt ut sin silisiumkarbidvirksomhet i en ny enhet, som eies 75 % av Coherent, mens resten eies likt av partnerne Mitsubishi Electric (som bidrar med silisiumkarbid‑kraft‑IP) og Denso (som bidrar med sin aktivitet som billeverandør innen elektrifisering og kraft‑semikondensatorer).
Dette skyldes at silisiumkarbid i økende grad er sin egen teknologi, hovedsakelig brukt i høy‑effekt‑applikasjoner som el‑biler, batterier og fornybar energi.
Coherent er en leder innen LIDAR og 3D‑digital sansing, inkludert for selvkjørende applikasjoner, bioteknologi Next Generation Sequencing (NGS) Flow Cells, og lasere for produksjon av halvledere. De forventer at hovedmarkedene vil vokse med 8‑20 %.
Source: Coherent
De andre potensielle nye anvendelsene av lasere som direkte energivåpen, fotonisk databehandling, kjernefysisk fusjon og romteknologi kan alle bidra til å opprettholde selskapets langsiktige vekst.
Alt i alt er Coherent så nært som mulig en «ren» børsnotert laserbedrift for investorer som er interessert i sektoren, med sterk vertikal integrasjon og over 3 100 patenter som beskytter deres innovasjoner.
Siste nyheter og utviklinger for Coherent (COHR) aksjen
Studien referert
1. halini Rajpoot, Kaushik Nonavinakere Vinod, Tiegang Fang, Chengying Xu. Syntese av hafniumkarbid (HfC) via ett-trinns selektiv laserreaksjons-pyrolyse fra flytende polymerforløper. Journal of the American Ceramics Society.14. mai 2025https://doi.org/10.1111/jace.20650
