Additiv tillverkning
Laserframställda keramer kan revolutionera flyg- och rymdindustrin
Varför keramer är viktiga inom flyg- och rymdindustrin
Aerospace‑material använder ofta sällsynta metaller, till exempel titan, rhenium, iridium, eller volfram (följ länkarna för en dedikerad investeringsrapport om var och en av dessa sällsynta teknologiska metaller). Detta ger flygplan och rymdfarkosters ramverk, turbiner, reaktorutsläpp och andra kritiska komponenter den värme‑ och mekaniska stresstålighet som krävs för de extrema förhållanden som krävs för flygning.
En annan materialkategori som används är keramer. Dessa material skiljer sig från metall genom att de ursprungliga komponenterna ofta är relativt vanliga mineraler. Men rätt kombination av mineraler som produceras under rätt förhållanden kan ha extraordinära egenskaper. Till exempel är de flesta plattor som klarar den extrema värmen vid återinträde i atmosfären för rymdfarkoster gjorda av keramer.
Källa: NASA
Keramiska material smälts inte (som metall) utan sintras, en process som liknar hur glas produceras. Endast vissa av de smälta/vitrifierade föreningarna binder ihop osmältade partiklar.
Källa: Hengko
Dessutom kräver sintring att råmaterialen placeras i en ugn som kan nå temperaturer på minst 2 200 °C (4000°F). Det är en mycket energikrävande och tidskrävande process.
Fyra forskare vid North Carolina State University kan ha upptäckt en alternativ metod för produktion av högpresterande flyg‑ och rymdkeramer, med hjälp av laser.
De publicerade sina fynd i Journal of the American Ceramics Society1, under titeln “Syntes av hafniumkarbid (HfC) via endastegs selektiv laserreaktionspyrolys från flytande polymerprekursor”.
UHTCs roll i flyg- och rymdteknik
Varför traditionell keramiktillverkning misslyckas
Ultrahöga temperatur‑keramer (UHTCs) är en klass av material som är designade för att tåla extrema miljöer, på grund av deras exceptionella termiska stabilitet, höga smältpunkter (>3000°C), hög styrka samt motstånd mot oxidation och termisk chock.
Av dessa material sticker hafniumkarbid (HfC) ut som en av de mest lovande kandidaterna, med en smältpunkt >3900°C, samt stark hårdhet, elasticitet och termisk ledningsförmåga.
Tyvärr har HfC hittills varit svårt att producera och mycket dyrt som en följd. Storskalig produktion av HfC med konsekvent kvalitet har särskilt varit ett problem, med betydande mikrostrukturella inkonsekvenser som leder till strukturella defekter.
Nya tekniker övervägs, särskilt ugnsbaserad polymer‑deriverad keramik (PDC), men de ger bara en låg vätska‑till‑keramisk avkastning på 11 % till 21 %.
Utöver dessa produktionsproblem är dessa metoder inte kompatibla med additiv tillverkning (3D‑utskrift). Så de är bara kompatibla med enkla former som kan göras med formar, som massiva, cylindriska eller kubiska geometrier.
Hur lasersinterning omvandlar keramiktillverkning
Många 3D‑utskriftsmetoder utnyttjar redan laser för att skapa komplexa former som annars är omöjliga med traditionella gjut‑ och smidesmetoder. Detta förändrar radikalt hur turbiner för jetmotorer och raketmotorer produceras.
Forskarna övervägde tillvägagångssättet med en selektiv laserreaktionspyrolys (SLRP)‑metod.
Istället för de flera stegen i ugnsmetoder för keramtillverkning, kombinerar detta i ett steg polymer‑omvandlingen till keram och pyrolys.
Den flytande prekursorn kan appliceras på strukturets yta och sedan sintras med laser.
Laserstrålen som användes i demonstrationen är relativt kraftfull för en laser (en 120 W (CO2) gaslaser), men också mycket låg energi jämfört med traditionella ugnar som används för produktion av hafniumkarbid.
Testning av keramiktillsatser för laserbearbetning
Två tillsatser testades också för att se om processen kunde göras ännu mer effektiv: dikumyltperoxid (DCP), en termisk aktiverare; och bensofenon (BZP), en foto‑aktiverare.
DCP hade högst en minimal effekt, medan BZP avsevärt minskar energireflektion, vilket förbättrar prekursorns absorption av infraröd energi.
Elektronmikroskopbilder visade en jämn fördelning av sfäriska och fasetterade HfC‑korn under alla temperaturförhållanden (1700°C, 1800°C och 2000°C). Större kornkluster vid högre temperaturer indikerar en tätare keram.
“Detta är första gången vi känner till att någon lyckats skapa HfC av denna kvalitet från en flytande polymerprekursor”
Cheryl Xu – Professor of mechanical and aerospace engineering at North Carolina State University.
Lasersinterning vs. ugn: Vilken är bättre?
Förutom energibesparingar är lasersinterningen som utvecklats här mycket mer effektiv. Ugnsbaserad sintring uppnår högst ett ∼20 %–40 % korslänkat vätska‑till‑keramisk utbyte, medan laserbaserad sintring uppnår ett ∼50 %–55 % utbyte.
Detta är också mycket snabbare, då ugnar kräver timmar eller till och med flera dagar, medan lasern utför uppgiften på sekunder eller minuter.
Den maximala temperaturen för lasern är också högre, vilket möjliggör mer komplexa geometrier, bättre beläggningar, tunna filmer och arbete i endast ett steg.
“Slutligen är vår teknik relativt portabel. Ja, den måste utföras i en inert miljö, men att transportera en vakuumkammare och additiv tillverkningsutrustning är mycket enklare än att transportera en kraftfull, storskalig ugn.”
Cheryl Xu – Professor of mechanical and aerospace engineering at North Carolina State University.
Framväxande tillämpningar för lasersinternade keramer
Hittills har HfC bara kunnat tillämpas på substrat som klarar den extremt höga temperaturen i en ugn under en längre period.
Laserprocessen som uppfunnits här är mycket mindre destruktiv, vilket skapar ett mycket bredare område av möjliga tillämpningar.
“Eftersom sintringsprocessen inte kräver att hela strukturen exponeras för ugnens värme, håller den nya tekniken löftet om att vi kan applicera ultrahöga temperatur‑keramiska beläggningar på material som kan skadas av sintring i en ugn.”
Cheryl Xu – Professor of mechanical and aerospace engineering at North Carolina State University.
Till exempel kan lasersinterning användas för att skapa högkvalitativa HfC‑beläggningar på kolfiber‑förstärkta kolkompositer (C/C):
“HfC‑beläggningarna på C/C‑substrat är särskilt användbara eftersom, förutom hypersoniska tillämpningar, kol/kol‑strukturer används i raketmunstycken, bromsskivor och flyg‑ och rymd‑värmeskyddssystem såsom noskoner och vingens främre kanter.”
Cheryl Xu – Professor of mechanical and aerospace engineering at North Carolina State University.
Den mindre storleken och portabiliteten hos systemet kan också ha en långsiktig effekt på teknikens potential. Till exempel skulle någon in‑situ‑produktion av flyg‑ och rymdmaterial på en månbas eller Mars‑bas kräva relativt liten och lätt utrustning.
Investera i laserteknik
II-VI Marlow / Coherent: En ledande laserteknikleverantör
(COHR )
Coherent är ett stort industriellt konglomerat med över 26 000 anställda och en ledare inom laserteknik. Företaget bildades genom sammanslagningen av det avancerade materialföretaget II‑VI Marlow med laserproducenten Coherent.
Företaget är expert på avancerade material som används i laser, optik och fotonik, såsom indiumfosfid, epitaxiala wafers och galliumarsenid.
Det växte kraftigt tack vare flera förvärv under det senaste decenniet, från 600 M $ i intäkter 2013 till 4,7 B $ 2024.
Företaget får 29 % av sina intäkter direkt från laserprodukter, resten är kopplat till tillhörande utrustning som optisk fiber och elektronik. Instrumentkategorin omfattar främst livsvetenskaper och medicinska tillämpningar.
Källa: Coherent
Företagets närvaro inom avancerade material som termofotovoltaik (som vi diskuterade i en tidigare artikel), kiselkarbid, laser och elektronik hjälper det att dra nytta av strukturella trender som tillväxten av precisions‑tillverkning, additiv tillverkning (3D‑utskrift), elektrifiering och förnybar energi.
Företaget har nyligen separerat sin kiselkarbidverksamhet till ett nytt bolag, ägt till 75 % av Coherent, där resten ägs lika av sina partners Mitsubishi Electric (som bidrar med kiselkarbid‑kraft‑IP) och Denso (som bidrar med sin aktivitet som en fordonstillverkare inom elektrifiering och kraft‑semikondutor).
Detta beror på att kiselkarbid blir alltmer en egen teknik, främst använd i högspänningsapplikationer som elbilar, batterier och förnybar energi.
Coherent är en ledare inom LIDAR och 3D‑digital avkänning, inklusive för självkörande applikationer, biotech Next Generation Sequencing (NGS) Flow Cells, och laser för halvledartillverkning. Företaget förväntar sig att dess huvudmarknader ska växa med 8‑20 %.
Källa: Coherent
Andra potentiella nya tillämpningar av laser som direkta energivapen, fotonisk beräkning, kärnfusion och rymdteknik kan alla lika väl bidra till att upprätthålla företagets långsiktiga tillväxt.
Sammanfattningsvis är Coherent så nära som möjligt en “ren spelare” på den offentligt handlade laserscenen för investerare som är intresserade av sektorn, med stark vertikal integration och över 3 100 patent som skyddar dess innovationer.
Senaste nyheter och utveckling för Coherent (COHR) aktier
Refererad studie
1. halini Rajpoot, Kaushik Nonavinakere Vinod, Tiegang Fang, Chengying Xu. Syntes av hafniumkarbid (HfC) via endastegs selektiv laserreaktionspyrolys från flytande polymerprekursor. Journal of the American Ceramics Society. 14 May 2025https://doi.org/10.1111/jace.20650
