Eklemeli İmalat
Lazerle Üretilen Seramikler Havacılıkta Devrim Yaratabilir
Neden Seramikler Havacılıkta Önemlidir
Aerospace materials often use rare metals, for example, titanium, rhenium, iridium, or tungsten (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.
Kullanılan bir diğer malzeme kategorisi seramiklerdir. Bu malzemeler, başlangıç bileşenleri genellikle nispeten sıradan mineraller olduğu için metallere göre farklıdır. Ancak, doğru koşullarda üretilen doğru mineral kombinasyonu olağanüstü özellikler gösterebilir. Örneğin, uzay araçlarının atmosfer yeniden girişindeki aşırı ısıya dayanabilen çoğu karo seramikten yapılmıştır.
Kaynak: NASA
Seramik malzemeler eritilmez (metal gibi) ancak sinterlenir, bu süreç cam üretimine daha benzer. Eritilen/vitrifiye edilen bazı bileşikler, erimemiş parçacıkları bir arada tutar.
Kaynak: Hengko
Ayrıca, sinterleme, ham maddelerin en az 2.200 °C (4000°F) sıcaklıklara ulaşabilen bir fırına yerleştirilmesini gerektirir. Bu, çok enerji yoğun ve zaman alıcı bir süreçtir.
Kuzey Karolina Eyalet Üniversitesi’nden dört araştırmacı, yüksek performanslı havacılık seramiklerinin üretimi için lazer kullanarak alternatif bir yöntem keşfetmiş olabilir.
Bulgularını Journal of the American Ceramics Society1 dergisinde, “Sıvı polimer öncülünden tek adımlı seçici lazer reaksiyon pirolizi yoluyla hafniyum karbür (HfC) sentezi” başlığıyla yayınladılar.
UHTC’lerin Havacılık Mühendisliğindeki Rolü
Neden Geleneksel Seramik Üretimi Yetersiz Kalıyor
Ultrahigh-temperature ceramics (UHTCs) are a class of materials designed to withstand extreme environments, due to their exceptional thermal stability, high melting points (>3000°C), high strength, and resistance to oxidation and thermal shock.
Bu malzemeler arasında, hafniyum karbür (HfC), >3900°C erime noktasının yanı sıra yüksek sertlik, elastikiyet ve termal iletkenlik gibi özellikleriyle en umut verici adaylardan biri olarak öne çıkmaktadır.
Ne yazık ki, HfC şu ana kadar üretimi zor ve bu nedenle çok pahalı olmuştur. Tutarlı kaliteye sahip HfC’nin büyük ölçekli üretimi özellikle bir sorun olmuştur; önemli mikro yapısal tutarsızlıklar yapısal kusurlara yol açmaktadır.
Yeni teknikler değerlendiriliyor, özellikle fırın tabanlı polimer türevli seramik (PDC), ancak bunlar yalnızca %11 ila %21 arasında düşük bir sıvı‑seramik dönüşüm verimi sağlamaktadır.
Bu üretim sorunlarına ek olarak, bu yöntemler katmanlı imalat (3D baskı) ile uyumlu değildir. Bu nedenle yalnızca döküm kalıplarıyla yapılabilecek toplu, silindirik veya kübik gibi basit şekillerle sınırlıdır.
Lazer Sinterleme Seramik Üretimini Nasıl Dönüştürüyor
Birçok 3D baskı yöntemi, geleneksel döküm ve dövme teknikleriyle mümkün olmayan karmaşık şekiller oluşturmak için zaten lazer kullanıyor. Bu, jet motoru türbinleri ve roket motorlarının üretim şeklini kökten değiştiriyor.
Araştırmacılar, seçici lazer reaksiyon pirolizi (SLRP) yöntemini kullanma yaklaşımını değerlendirdiler.
Seramik üretiminde fırın yöntemlerinin çoklu adımları yerine, bu yöntem bir adımda polimerin seramiğe dönüşümünü ve pirolizini gerçekleştirir.
Sıvı öncül, yapının yüzeyine uygulanabilir ve ardından lazerle sinterlenebilir.
Demonstrasyonda kullanılan lazer, bir lazer için (120W (CO2) gaz lazeri) nispeten güçlüdür, ancak hafniyum karbür üretiminde kullanılan geleneksel fırınlara kıyasla çok düşük enerji tüketir.
Lazer İşlemi İçin Seramik Katkı Maddelerinin Test Edilmesi
İşlemin daha da verimli hale getirilebilip getirilemeyeceğini görmek için iki katkı maddesi de test edildi: termal aktivatör dicumyl peroksit (DCP) ve foto-aktivatör benzo fenon (BZP).
DCP en iyi durumda minimal bir etki gösterirken, BZP enerji yansımalarını önemli ölçüde azaltarak öncülün kızılötesi enerjiyi absorbe etmesini artırır.
Elektron mikroskop görüntüleri, tüm sıcaklık koşullarında (1700°C, 1800°C ve 2000°C) küresel ve çokyüzlü HfC tanelerinin eşit dağılımını gösterdi. Daha yüksek sıcaklıklarda daha büyük taneler kümeleri, daha yoğun bir seramik olduğunu gösterir.
“Bildiğimiz kadarıyla, birinin sıvı polimer öncülünden bu kalitede HfC oluşturabildiği ilk sefer bu.”
Cheryl Xu – Kuzey Karolina Eyaleti Üniversitesi’nde mekanik ve havacılık mühendisliği profesörü.
Lazer Sinterleme vs. Fırın: Hangisi Daha İyi?
Enerji tasarrufu sağlamanın yanı sıra, burada geliştirilen lazer sinterleme çok daha verimlidir. Fırın tabanlı sinterleme en iyi durumda yaklaşık %20‑%40 çapraz bağlı sıvı‑seramik dönüşüm verimi elde ederken, lazer tabanlı sinterleme yaklaşık %50‑%55 verim sağlar.
Ayrıca bu çok daha hızlıdır; fırınlar saatler hatta birkaç gün sürebilirken, lazer görevi saniyeler ya da dakikalar içinde tamamlar.
Lazerin maksimum sıcaklığı da daha yüksektir, bu da daha karmaşık geometriler, daha iyi kaplamalar, ince filmler ve tek adımda çalışma imkanı sağlar.
“Son olarak, teknikimiz nispeten taşınabilirdir. Evet, inert bir ortamda yapılması gerekiyor, ancak bir vakum odası ve katmanlı imalat ekipmanını taşımak, güçlü ve büyük ölçekli bir fırını taşımaktan çok daha kolaydır.”
Cheryl Xu – Kuzey Karolina Eyaleti Üniversitesi’nde mekanik ve havacılık mühendisliği profesörü.
Lazerle Sinterlenmiş Seramiklerin Yeni Uygulamaları
Şu ana kadar, HfC yalnızca uzun süreli yüksek fırın sıcaklıklarını kaldırabilecek alt tabakalara uygulanabilmiştir.
Burada icat edilen lazer süreci çok daha az yıkıcıdır ve çok daha geniş bir uygulama yelpazesi yaratır.
“Sinterleme sürecinin tüm yapıyı fırın ısısına maruz bırakmasını gerektirmemesi nedeniyle, yeni teknik, fırında sinterleme nedeniyle zarar görebilecek malzemelere ultra yüksek sıcaklık seramik kaplamaları uygulama vaadi sunmaktadır.”
Cheryl Xu – Kuzey Karolina Eyaleti Üniversitesi’nde mekanik ve havacılık mühendisliği profesörü.
Örneğin, lazer sinterleme, karbon fiber takviyeli karbon kompozitlerinin (C/C) yüksek kaliteli HfC kaplamalarını oluşturmak için kullanılabilir:
“C/C alt tabakalar üzerindeki HfC kaplamaları özellikle hipersonik uygulamaların yanı sıra, roket memeleri, fren diskleri ve burun konileri ve kanat önde gelen kenarlar gibi havacılık termal koruma sistemlerinde kullanılan karbon/karbon yapılar nedeniyle çok faydalıdır.”
Cheryl Xu – Kuzey Karolina Eyaleti Üniversitesi’nde mekanik ve havacılık mühendisliği profesörü.
Sistemin daha küçük boyutu ve taşınabilirliği, teknolojinin potansiyeli üzerinde uzun vadeli bir etki de yaratabilir. Örneğin, Ay ya da Mars üslerinde havacılık malzemelerinin yerinde üretimi, nispeten küçük ve hafif ekipmanlar gerektirecektir.
Lazer Teknolojilerine Yatırım
II-VI Marlow / Coherent: Bir Lazer Teknoloji Lideri
(COHR )
Coherent, 26.000+ çalışanı olan büyük bir sanayi holdingi ve lazer teknolojisinde bir liderdir. Gelişmiş malzeme şirketi II-VI Marlow ile lazer üreticisi Coherent’in birleşmesinden ortaya çıkmıştır.
Şirket, indiyum fosfit, epitaksiyel waferlar ve galyum arsenid gibi lazer, optik ve fotoniklerde kullanılan ileri malzemelerde uzmandır.
Son on yılda bir dizi satın alma sayesinde, 2013’te 600 milyon dolar gelirden 2024’te 4,7 milyar dolara büyümüştür.
Şirket, gelirlerinin %29’unu doğrudan lazerlerden elde eder; geri kalan kısmı optik fiber ve elektronik gibi ilgili ekipmanlarla bağlantılıdır. Enstrümantasyon kategorisi çoğunlukla yaşam bilimleri ve tıbbi uygulamaları içerir.
Kaynak: Coherent
Şirketin termofotovoltaikler (ki önceki bir makalemizde tartıştık), silikon karbür, lazerler ve elektronik gibi ileri malzemelerdeki varlığı, hassas üretimin, katmanlı imalatın (3D baskı), elektrifikasyonun ve yenilenebilir enerjilerin büyümesi gibi yapısal eğilimlerden faydalanmasını sağlar.
Şirket, son zamanlarda silikon karbür işini %75’i Coherent’e ait yeni bir varlık olarak ayırdı, geri kalan kısmı ise ortakları Mitsubishi Electric (silikon karbür güç IP’si sağlayan) ve Denso (elektrifikasyon ve güç yarı iletkenlerinde otomotiv tedarikçisi olarak faaliyet gösteren) tarafından eşit olarak sahiplenilmektedir.
Bunun nedeni, silikon karbürün giderek kendi teknolojisi haline gelmesi ve çoğunlukla EV’ler, bataryalar ve yenilenebilir enerji gibi yüksek güçlü uygulamalarda kullanılmasıdır.
Coherent, LIDAR ve 3D-dijital algılamada, sürücüsüz uygulamalar dahil, biotech Next Generation Sequencing (NGS) Flow Cells, ve yarı iletken üretimi için lazerler konularında liderdir. Ana pazarlarının %8‑%20 oranında büyümesini bekliyor.
Kaynak: Coherent
Lazerlerin doğrudan enerji silahları, fotonik bilişim, nükleer füzyon ve uzay teknolojileri gibi diğer potansiyel yeni uygulamaları da şirketin uzun vadeli büyümesini sürdürebilir.
Genel olarak, Coherent, sektöre ilgi duyan yatırımcılar için “saf oyun” halka açık bir lazer şirketine en yakın konumda olup, güçlü dikey entegrasyon ve 3.100+ patentiyle yeniliklerini korumaktadır.
Coherent (COHR) Hisse Senedi Haberleri ve Gelişmeleri
Referans Verilen Çalışma
1. halini Rajpoot, Kaushik Nonavinakere Vinod, Tiegang Fang, Chengying Xu. Sıvı polimer öncülünden tek adımlı seçici lazer reaksiyon pirolizi yoluyla hafniyum karbür (HfC) sentezi. Journal of the American Ceramics Society.14 May 2025https://doi.org/10.1111/jace.20650
