Fabricación aditiva
La cerámica fabricada con láser podría revolucionar la industria aeroespacial
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Por qué es importante la cerámica en la industria aeroespacial
Los materiales aeroespaciales a menudo utilizan metales raros, por ejemplo, titanio, renio, iridio o tungsteno (Siga los enlaces para obtener un informe de inversión específico sobre cada uno de estos raros metales tecnológicos). Esto proporciona a los armazones de aviones y naves espaciales, turbinas, escapes de reactores y otros componentes críticos la resistencia al calor y al estrés mecánico que requieren las condiciones extremas del vuelo.
Otra categoría de material utilizado es la cerámica. Estos materiales se diferencian del metal en que sus componentes iniciales suelen ser minerales relativamente comunes. Sin embargo, la combinación adecuada de minerales, producida en las condiciones adecuadas, puede tener propiedades extraordinarias. Por ejemplo, la mayoría de las baldosas que soportan el calor extremo de la reentrada a la atmósfera de las naves espaciales están hechas de cerámica.
Fuente: NASA
Los materiales cerámicos no se funden (como el metal), sino que se sinterizan, un proceso más similar al de producción del vidrio. Solo algunos de los compuestos fundidos/vitrificados mantienen unidas las partículas no fundidas.
Fuente: Hengko
Además, la sinterización requiere colocar las materias primas en un horno que pueda alcanzar temperaturas de al menos 2,200 ° C (4000°F) Es un proceso que consume mucho tiempo y energía.
Cuatro investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte podrían haber descubierto un método alternativo para la producción de cerámica aeroespacial de alto rendimiento, utilizando láseres.
Publicaron sus hallazgos en el Journal of the American Ceramics Society.1, bajo el título "Síntesis de carburo de hafnio (HfC) mediante pirólisis selectiva por reacción láser de un solo paso a partir de un precursor de polímero líquido..
El papel de los UHTC en la ingeniería aeroespacial
Por qué la fabricación de cerámica tradicional se queda corta
Las cerámicas de temperatura ultraalta (UHTC) son una clase de materiales diseñados para soportar entornos extremos, debido a su excepcional estabilidad térmica, altos puntos de fusión (>3000 °C), alta resistencia y resistencia a la oxidación y al choque térmico.
De estos materiales, el carburo de hafnio (HfC) se destaca como uno de los candidatos más prometedores, con un punto de fusión >3900 °C, así como una gran dureza, elasticidad y conductividad térmica.
Lamentablemente, hasta la fecha, la producción de HfC ha sido difícil y, en consecuencia, muy costosa. La producción a gran escala de HfC con calidad constante ha sido especialmente problemática, con importantes inconsistencias microestructurales que provocan defectos estructurales.
Se están considerando nuevas técnicas, en particular la cerámica derivada de polímeros (PDC) basada en horno, pero sólo dan como resultado un rendimiento pobre de líquido a cerámica del 11% al 21%.
Además de estos problemas de producción, estos métodos no son compatibles con la fabricación aditiva (impresión 3D). Por lo tanto, solo son compatibles con formas simples que se pueden fabricar con moldes, como geometrías masivas, cilíndricas o cúbicas.
Cómo la sinterización láser transforma la producción cerámica
Muchos métodos de impresión 3D ya utilizan el láser para crear formas complejas que de otro modo serían imposibles con las técnicas tradicionales de moldeo y forjado. Esto está cambiando radicalmente la forma en que se producen las turbinas de los motores a reacción y los motores de cohetes.
Los investigadores consideraron el enfoque utilizando un método de pirólisis de reacción láser selectiva (SLRP).
En lugar de los múltiples pasos de los métodos de horno para la fabricación de cerámica, esto combina en un solo paso la conversión del polímero en cerámica y la pirólisis.
El precursor líquido se puede aplicar a la superficie de la estructura y luego sinterizar con el láser.
El láser utilizado en la demostración es relativamente potente para un láser (un láser de gas de 120 W (CO2)), pero también consume muy poca energía en comparación con los hornos tradicionales utilizados para la producción de carburo de hafnio.
Prueba de aditivos cerámicos para procesamiento láser
También se probaron dos aditivos para ver si el proceso podía hacerse aún más eficiente: peróxido de dicumilo (DCP), un activador térmico, y benzofenona (BZP), un fotoactivador.
El DCP tuvo, en el mejor de los casos, un efecto mínimo, mientras que el BZP reduce significativamente la reflexión de energía, mejorando la absorción de energía infrarroja del precursor.
Las imágenes de microscopio electrónico mostraron una distribución uniforme de granos esféricos y facetados de HfC en todas las condiciones de temperatura (1700 °C, 1800 °C y 2000 °C). Los grupos de granos más grandes a temperaturas más altas indican una cerámica más densa.
“Esta es la primera vez que sabemos que alguien fue capaz de crear HfC de esta calidad a partir de un precursor de polímero líquido”.
Sinterización láser vs. horno: ¿cuál es mejor?
Además de ahorrar energía, la sinterización láser desarrollada aquí es mucho más eficiente. La sinterización en horno alcanza un rendimiento óptimo de entre el 20 % y el 40 % de líquido reticulado a cerámica, mientras que la sinterización láser alcanza un rendimiento del 50 % al 55 %.
Esto también es mucho más rápido, ya que los hornos requieren horas o incluso varios días, mientras que el láser realiza la tarea en segundos o minutos.
La temperatura máxima del láser también es más alta, lo que permite geometrías más complejas, mejores recubrimientos, películas delgadas y trabajar en un solo paso.
Por último, nuestra técnica es relativamente portátil. Si bien debe realizarse en un entorno inerte, transportar una cámara de vacío y un equipo de fabricación aditiva es mucho más sencillo que transportar un horno potente y de gran tamaño.
Aplicaciones emergentes de la cerámica sinterizada por láser
Hasta ahora, el HfC sólo se ha podido aplicar en sustratos que pudieran soportar la temperatura extremadamente alta de un horno durante un largo período de tiempo.
El proceso láser inventado aquí es mucho menos destructivo, creando un campo mucho más amplio de posibles aplicaciones.
“Dado que el proceso de sinterización no requiere exponer toda la estructura al calor del horno, la nueva técnica promete permitirnos aplicar recubrimientos cerámicos de temperatura ultraalta a materiales que podrían dañarse durante la sinterización en un horno”.
Por ejemplo, la sinterización láser podría utilizarse para crear recubrimientos de HfC de alta calidad de compuestos de carbono reforzados con fibra de carbono (C/C):
Los recubrimientos de HfC sobre sustratos de C/C son particularmente útiles porque, además de las aplicaciones hipersónicas, las estructuras de carbono/carbono se utilizan en toberas de cohetes, discos de freno y sistemas de protección térmica aeroespacial, como conos de nariz y bordes de ataque de alas.
El menor tamaño y la portabilidad del sistema también podrían tener un efecto a largo plazo en el potencial tecnológico. Por ejemplo, cualquier producción in situ de materiales aeroespaciales en bases lunares o marcianas requeriría equipos relativamente pequeños y ligeros.
Invertir en tecnologías láser
II-VI Marlow / Coherente:Un líder en tecnología láser
(COHR )
Coherent es un gran conglomerado industrial con más de 26,000 empleados y líder en tecnología láser. Surgió de la fusión de Advanced Material II-VI Marlow con el fabricante de láseres Coherent.
La empresa es experta en materiales avanzados utilizados en láseres, óptica y fotónica, como fosfuro de indio, obleas epitaxiales y arseniuro de galio.
Creció en gran medida gracias a múltiples adquisiciones durante la última década, de $600 millones en ingresos en 2013 a $4.7 mil millones en 2024.
La empresa obtiene el 29% de sus ingresos directamente de los láseres, y el resto se vincula a equipos asociados como fibra óptica y electrónica. La categoría de instrumentación abarca principalmente aplicaciones médicas y de ciencias de la vida.
Fuente: Coherente
La presencia de la empresa en materiales avanzados como la termofotovoltaica (que discutimos en un artículo anterior), el carburo de silicio, los láseres y la electrónica le ayudan a beneficiarse de tendencias estructurales como el crecimiento de la fabricación de precisión, la fabricación aditiva (impresión 3D), la electrificación y las energías renovables.
La compañía tiene Recientemente separó su negocio de carburo de silicio en una nueva entidad, propiedad en un 75% de Coherent, y el resto es propiedad en partes iguales de sus socios Mitsubishi Electric (que aporta propiedad intelectual sobre carburo de silicio) y Denso (que aporta su actividad como proveedor de automoción en electrificación y semiconductores de potencia).
Esto se debe a que el carburo de silicio es cada vez más una tecnología propia, utilizada principalmente en aplicaciones de alta potencia, como vehículos eléctricos, baterías y energía renovable.
Coherent es un líder en LIDAR y detección digital 3D, incluidas aplicaciones de conducción autónoma, biotecnología Celdas de flujo para secuenciación de próxima generación (NGS) y Láseres para la fabricación de semiconductoresEspera que sus principales mercados crezcan entre un 8 y un 20%.
Fuente: Coherente
Otras posibles nuevas aplicaciones de los láseres, como las armas de energía directa, la computación fotónica, la fusión nuclear y la tecnología espacial, podrían ayudar igualmente a sostener el crecimiento a largo plazo de la empresa.
En general, Coherent es lo más cercano que puede llegar a ser una empresa de láser “pure play” que cotiza en bolsa para los inversores interesados en el sector, con una fuerte integración vertical y más de 3,100 patentes que protegen sus innovaciones.
Últimas noticias y desarrollos de acciones de Coherent (COHR)
Estudio referenciado
1. halini Rajpoot, Kaushik Nonavinakere Vinod, Tiegang Fang, Chengying Xu. Síntesis de carburo de hafnio (HfC) mediante pirólisis selectiva por reacción láser de un solo paso a partir de un precursor de polímero líquido.. Revista de la Sociedad Americana de Cerámica.14 de mayo de 2025https://doi.org/10.1111/jace.20650
