Manufatura aditiva
Cerâmicas Produzidas a Laser Podem Revolucionar a Indústria Aeroespacial
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Por que as Cerâmicas são Importantes na Indústria Aeroespacial
Materiais aeroespaciais frequentemente utilizam metais raros, por exemplo, titânio, rênio, irídio, ou tungstênio (siga os links para um relatório de investimento dedicado sobre cada um desses metais tecnológicos raros). Isso confere às estruturas de aviões e espaçonaves, turbinas, exaustões de reatores e outros componentes críticos a resistência ao calor e ao estresse mecânico exigidos pelas condições extremas necessárias para o voo.
Outra categoria de material utilizada são as cerâmicas. Esses materiais são diferentes dos metais porque os componentes iniciais são frequentemente minerais relativamente comuns. No entanto, a combinação correta de minerais produzidos nas condições adequadas pode ter propriedades extraordinárias. Por exemplo, a maioria das telhas que conseguem lidar com o calor extremo da reentrada na atmosfera das espaçonaves são feitas de cerâmica.
Fonte: NASA
Materiais cerâmicos não são fundidos (como o metal), mas sinterizados, um processo mais semelhante ao da produção de vidro. Apenas alguns dos compostos fundidos/vitrificados mantêm partículas não fundidas unidas.
Fonte: Hengko
Além disso, a sinterização requer colocar as matérias-primas em um forno que pode alcançar temperaturas de pelo menos 2,200 °C (4000°F). É um processo muito intensivo em energia e demorado.
Quatro pesquisadores da North Carolina State University podem ter descoberto um método alternativo para a produção de cerâmicas aeroespaciais de alto desempenho, usando lasers.
Eles publicaram suas descobertas no Journal of the American Ceramics Society1, sob o título “Synthesis of hafnium carbide (HfC) via one-step selective laser reaction pyrolysis from liquid polymer precursor”.
O Papel dos UHTCs na Engenharia Aeroespacial
Por que a Fabricação Tradicional de Cerâmica Não Atende
Cerâmicas de ultra-alta temperatura (UHTCs) são uma classe de materiais projetados para suportar ambientes extremos, devido à sua excepcional estabilidade térmica, altos pontos de fusão (>3000°C), alta resistência e resistência à oxidação e choque térmico.
Desses materiais, o carbeto de háfnio (HfC) destaca-se como um dos candidatos mais promissores, com ponto de fusão >3900°C, além de alta dureza, elasticidade e condutividade térmica.
Infelizmente, o HfC tem sido difícil de produzir até agora e, como resultado, muito caro. A produção em larga escala de HfC com qualidade consistente tem sido especialmente um problema, com inconsistências microestruturais significativas que levam a defeitos estruturais.
Novas técnicas estão sendo consideradas, notavelmente cerâmica derivada de polímero baseada em forno (PDC), mas elas resultam apenas em um rendimento líquido-para-cerâmica pobre de 11% a 21%.
Além desses problemas de produção, esses métodos não são compatíveis com manufatura aditiva (impressão 3D). Portanto, são compatíveis apenas com formas simples realizáveis com moldes, como geometrias maciças, cilíndricas ou cúbicas.
Como a Sinterização a Laser Transforma a Produção de Cerâmica
Muitos métodos de impressão 3D já utilizam laser para criar formas complexas que seriam impossíveis com técnicas tradicionais de moldagem e forjamento. Isso está mudando radicalmente a forma como turbinas de motores a jato e motores de foguete são produzidos.
Os pesquisadores consideraram a abordagem usando um método de pirólise de reação seletiva a laser (SLRP).
Em vez das múltiplas etapas dos métodos de forno para a fabricação de cerâmica, isso coloca em um único passo a conversão do polímero em cerâmica e a pirólise.
O precursor líquido pode ser aplicado à superfície da estrutura e então sinterizado com o laser.
O laser usado na demonstração é relativamente potente para um laser (um laser de gás CO2 de 120W), mas também de energia muito baixa comparado aos fornos tradicionais usados na produção de carbeto de háfnio.
Testando Aditivos Cerâmicos para Processamento a Laser
Dois aditivos também foram testados para ver se o processo poderia ser ainda mais eficiente: dicumil peróxido (DCP), um ativador térmico; e benzofenona (BZP), um fotoativador.
O DCP teve, no máximo, um efeito mínimo, enquanto o BZP reduz significativamente a reflexão de energia, aprimorando a absorção de energia infravermelha pelo precursor.
Imagens de microscópio eletrônico mostraram uma distribuição uniforme de grãos esféricos e facetados de HfC em todas as condições de temperatura (1700°C, 1800°C e 2000°C). Agregados de grãos maiores em temperaturas mais altas indicam uma cerâmica mais densa.
“Esta é a primeira vez que temos conhecimento de alguém ter conseguido criar HfC com esta qualidade a partir de um precursor de polímero líquido”
Cheryl Xu – Professora de engenharia mecânica e aeroespacial na North Carolina State University.
Sinterização a Laser vs. Forno: Qual é Melhor?
Além de economizar energia, a sinterização a laser desenvolvida aqui é muito mais eficiente. A sinterização baseada em forno atinge um rendimento líquido-para-cerâmica cruzado de ∼20%–40% no melhor cenário, enquanto a sinterização baseada em laser atinge um rendimento de ∼50%–55%.
Isso também é muito mais rápido, já que os fornos requerem horas ou até vários dias, enquanto o laser realiza a tarefa em segundos ou minutos.
A temperatura máxima do laser também é maior, permitindo geometrías mais complexas, revestimentos melhores, filmes finos e trabalho em apenas um passo.
“Por fim, nossa técnica é relativamente portátil. Sim, precisa ser feita em um ambiente inerte, mas transportar uma câmara de vácuo e equipamentos de manufatura aditiva é muito mais fácil do que transportar um forno poderoso e de grande escala.
Cheryl Xu – Professora de engenharia mecânica e aeroespacial na North Carolina State University.
Aplicações Emergentes para Cerâmicas Sinterizadas a Laser
Até agora, o HfC só pôde ser aplicado em substratos que suportassem a temperatura extremamente alta de um forno por um longo período.
O processo a laser inventado aqui é muito menos destrutivo, criando um âmbito muito mais amplo de aplicações possíveis.
“Porque o processo de sinterização não requer expor toda a estrutura ao calor do forno, a nova técnica tem potencial para nos permitir aplicar revestimentos cerâmicos de ultra-alta temperatura em materiais que poderiam ser danificados pela sinterização em um forno.”
Por exemplo, a sinterização a laser poderia ser usada para criar revestimentos de HfC de alta qualidade em compósitos de carbono reforçado com fibra de carbono (C/C):
“Os revestimentos de HfC em substratos C/C são particularmente úteis porque, além de aplicações hipersônicas, estruturas de carbono/carbono são usadas em bocais de foguetes, discos de freio e sistemas de proteção térmica aeroespacial, como cones de nariz e bordas de ataque de asas.”
O tamanho menor e a portabilidade do sistema também podem ter um efeito a longo prazo no potencial da tecnologia. Por exemplo, qualquer produção in situ de materiais aeroespaciais em bases lunares ou marcianas exigiria equipamentos relativamente pequenos e mais leves.
Investindo em Tecnologias a Laser
II-VI Marlow / Coherent: Um Líder em Tecnologia a Laser
COHR Gráfico de preços
Coherent é um grande conglomerado industrial com mais de 26.000 funcionários e líder em tecnologia a laser. Resultou da fusão da avançada empresa de materiais II-VI (COHR ) Marlow com o fabricante de lasers Coherent.
A empresa é especialista em materiais avançados usados em lasers, óptica e fotônica, como fosfeto de índio, wafers epitaxiais e arseneto de gálio.
Cresceu significativamente graças a múltiplas aquisições na última década, passando de US$ 600 milhões em receitas em 2013 para US$ 4,7 bilhões em 2024.
A empresa obtém 29% de suas receitas diretamente de lasers, com o restante ligado a equipamentos associados como fibra óptica e eletrônicos. A categoria de instrumentação inclui principalmente aplicações em ciências da vida e medicina.
Fonte: Coherent
A presença da empresa em materiais avançados como termofotovoltaicos (que discutimos em um artigo anterior), carbeto de silício, lasers e eletrônicos ajuda-a a se beneficiar de tendências estruturais como o crescimento da manufatura de precisão, manufatura aditiva (impressão 3D), eletrificação e energias renováveis.
A empresa separou recentemente sua divisão de carbeto de silício em uma nova entidade, de propriedade 75% da Coherent, com o restante igualmente detido por seus parceiros Mitsubishi Electric (que traz a propriedade intelectual de potência de carbeto de silício) e Denso (que traz sua atividade como fornecedor automotivo em eletrificação e semicondutores de potência).
Isso ocorre porque o carbeto de silício está se tornando cada vez mais sua própria tecnologia, usado principalmente em aplicações de alta potência como veículos elétricos, baterias e energia renovável.
Coherent é líder em LIDAR e sensoriamento digital 3D, incluindo aplicações de condução autônoma, biotecnologia Next Generation Sequencing (NGS) Flow Cells, e lasers para fabricação de semicondutores. Espera que seus principais mercados cresçam entre 8% e 20%.
Fonte: Coherent
Outras potenciais novas aplicações de lasers, como armas de energia direta, computação fotônica, fusão nuclear e tecnologia espacial, também podem ajudar a sustentar o crescimento de longo prazo da empresa.
No geral, a Coherent está o mais próximo possível de ser uma empresa de lasers “pure play” negociada publicamente para investidores interessados no setor, com forte integração vertical e mais de 3.100 patentes protegendo suas inovações.
Últimas Notícias e Desenvolvimentos das Ações da Coherent (COHR)
Estudo Referenciado
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 maio 2025https://doi.org/10.1111/jace.20650
