Fabrication Additive
La céramique fabriquée au laser pourrait révolutionner l'aérospatiale
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Pourquoi la céramique est importante dans l'aérospatiale
Les matériaux aérospatiaux utilisent souvent des métaux rares, par exemple, titane, rhénium, iridium, ou tungstène (Suivez les liens pour un rapport d'investissement dédié à chacun de ces métaux technologiques rares). Cela confère aux châssis d'avions et de vaisseaux spatiaux, aux turbines, aux pots d'échappement des réacteurs et à d'autres composants critiques la résistance à la chaleur et aux contraintes mécaniques requises par les conditions extrêmes du vol.
Une autre catégorie de matériaux utilisés est la céramique. Ces matériaux se distinguent du métal par le fait que leurs composants initiaux sont souvent des minéraux relativement ordinaires. Cependant, une combinaison adéquate de minéraux, produite dans des conditions optimales, peut posséder des propriétés extraordinaires. Par exemple, la plupart des carreaux capables de supporter la chaleur extrême de la rentrée atmosphérique des vaisseaux spatiaux sont en céramique.
Source: NASA
Les matériaux céramiques ne sont pas fondus (comme le métal), mais frittés, un processus plus proche de la production du verre. Seuls certains des composés fondus/vitrifiés retiennent les particules non fondues.
Source: Hengko
De plus, le frittage nécessite de placer les matières premières dans un four pouvant atteindre des températures d'au moins 2,200 XNUMX °C. ° C (4000°F). C’est un processus très énergivore et chronophage.
Quatre chercheurs de l'Université d'État de Caroline du Nord pourraient avoir découvert une méthode alternative pour la production de céramiques aérospatiales hautes performances, en utilisant des lasers.
Ils ont publié leurs résultats dans le Journal of the American Ceramics Society1, sous le titre "Synthèse de carbure d'hafnium (HfC) par pyrolyse sélective par réaction laser en une étape à partir d'un précurseur de polymère liquide ».
Le rôle des UHTC dans l'ingénierie aérospatiale
Pourquoi la fabrication traditionnelle de céramique est insuffisante
Les céramiques ultra-haute température (UHTC) sont une classe de matériaux conçus pour résister aux environnements extrêmes, en raison de leur stabilité thermique exceptionnelle, de leurs points de fusion élevés (> 3000 °C), de leur résistance élevée et de leur résistance à l'oxydation et aux chocs thermiques.
Parmi ces matériaux, le carbure d'hafnium (HfC) se distingue comme l'un des candidats les plus prometteurs, avec un point de fusion > 3900°C, ainsi qu'une forte dureté, élasticité et conductivité thermique.
Malheureusement, le HfC s'est avéré jusqu'à présent difficile à produire et, par conséquent, très coûteux. La production à grande échelle de HfC de qualité constante a particulièrement posé problème, avec d'importantes incohérences microstructurelles entraînant des défauts structurels.
De nouvelles techniques sont envisagées, notamment la céramique dérivée de polymères (PDC) à base de four, mais elles n'aboutissent qu'à un faible rendement liquide-céramique de 11 à 21 %.
Outre ces problèmes de production, ces méthodes ne sont pas compatibles avec la fabrication additive (impression 3D). Elles ne sont donc compatibles qu'avec des formes simples réalisables avec des moules, comme des géométries massives, cylindriques ou cubiques.
Comment le frittage laser transforme la production de céramique
De nombreuses méthodes d'impression 3D utilisent déjà le laser pour créer des formes complexes, autrement impossibles à obtenir avec les techniques traditionnelles de moulage et de forgeage. Cela révolutionne la production des turbines d'avions et des moteurs-fusées.
Les chercheurs ont envisagé l’approche utilisant une méthode de pyrolyse sélective par réaction laser (SLRP).
Au lieu des multiples étapes des méthodes de four pour la fabrication de céramique, cela met en une seule étape la conversion du polymère en céramique et la pyrolyse.
Le précurseur liquide peut être appliqué sur la surface de la structure puis fritté avec le laser.
Le laser utilisé dans la démonstration est relativement puissant pour un laser (un laser à gaz (CO120) de 2 W), mais également très peu énergétique par rapport aux fours traditionnels utilisés pour la production de carbure d'hafnium.
Test des additifs céramiques pour le traitement au laser
Deux additifs ont également été testés pour voir si le processus pouvait être rendu encore plus efficace : le peroxyde de dicumyle (DCP), un activateur thermique ; et la benzophénone (BZP), un photo-activateur.
Le DCP a eu au mieux un effet minimal, tandis que le BZP réduit considérablement la réflexion de l'énergie, améliorant l'absorption de l'énergie infrarouge par le précurseur.
Les images prises au microscope électronique ont montré une distribution uniforme des grains HfC sphériques et facettés dans toutes les conditions de température (1700 1800 °C, 2000 XNUMX °C et XNUMX XNUMX °C). Des amas de grains plus gros à des températures plus élevées indiquent une céramique plus dense.
« C'est la première fois que nous savons qu'une personne a réussi à créer du HfC de cette qualité à partir d'un précurseur de polymère liquide. »
Cheryl Xu - Pprofesseur de génie mécanique et aérospatial à l'Université d'État de Caroline du Nord.
Frittage laser ou four : lequel est le meilleur ?
Outre les économies d'énergie, le frittage laser développé ici est beaucoup plus efficace. Le frittage au four atteint un rendement de réticulation liquide-céramique d'environ 20 à 40 % au mieux, tandis que le frittage au laser atteint un rendement d'environ 50 à 55 %.
C'est également beaucoup plus rapide, car les fours nécessitent des heures, voire plusieurs jours, tandis que le laser effectue la tâche en quelques secondes ou minutes.
La température de pointe du laser est également plus élevée, ce qui permet des géométries plus complexes, de meilleurs revêtements, des films minces et un travail en une seule étape.
Enfin, notre technique est relativement portable. Certes, elle doit être réalisée dans un environnement inerte, mais transporter une chambre à vide et un équipement de fabrication additive est bien plus simple que de transporter un four puissant et de grande taille.
Cheryl Xu - Pprofesseur de génie mécanique et aérospatial à l'Université d'État de Caroline du Nord.
Applications émergentes pour les céramiques frittées au laser
Jusqu’à présent, le HfC n’a pu être appliqué que sur des substrats capables de supporter la température extrêmement élevée d’un four pendant une longue période.
Le procédé laser inventé ici est beaucoup moins destructeur, créant un domaine d’applications possibles beaucoup plus large.
« Étant donné que le processus de frittage ne nécessite pas d'exposer l'ensemble de la structure à la chaleur du four, cette nouvelle technique est prometteuse et nous permettra d'appliquer des revêtements céramiques à ultra-haute température sur des matériaux susceptibles d'être endommagés par le frittage dans un four. »
Cheryl Xu - Pprofesseur de génie mécanique et aérospatial à l'Université d'État de Caroline du Nord.
Par exemple, le frittage laser pourrait être utilisé pour créer des revêtements HfC de haute qualité à partir de composites de carbone renforcés de fibres de carbone (C/C) :
« Les revêtements HfC sur les substrats C/C sont particulièrement utiles car, en plus des applications hypersoniques, les structures carbone/carbone sont utilisées dans les tuyères de fusées, les disques de frein et les systèmes de protection thermique aérospatiaux tels que les cônes de nez et les bords d'attaque des ailes. »
Cheryl Xu - Pprofesseur de génie mécanique et aérospatial à l'Université d'État de Caroline du Nord.
La taille réduite et la portabilité du système pourraient également avoir un impact à long terme sur le potentiel technologique. Par exemple, toute production in situ de matériaux aérospatiaux sur des bases lunaires ou martiennes nécessiterait un équipement relativement compact et léger.
Investir dans les technologies laser
II-VI Marlow / Cohérent: Un leader de la technologie laser
(COHR )
Coherent est un grand conglomérat industriel comptant plus de 26,000 XNUMX employés et leader dans la technologie laser. Il est né de la fusion d'Advanced Material II-VI Marlow et du fabricant de lasers Coherent.
L'entreprise est experte dans les matériaux avancés utilisés dans les lasers, l'optique et la photonique, tels que le phosphure d'indium, les plaquettes épitaxiales et l'arséniure de gallium.
Sa croissance est due en grande partie à de multiples acquisitions au cours de la dernière décennie, passant de 600 millions de dollars de revenus en 2013 à 4.7 milliards de dollars en 2024.
L'entreprise réalise 29 % de son chiffre d'affaires directement grâce aux lasers, le reste étant lié aux équipements associés comme la fibre optique et l'électronique. La catégorie instrumentation couvre principalement les sciences de la vie et les applications médicales.
Source: Cohérent
La présence de l'entreprise dans les matériaux avancés comme le thermophotovoltaïque (qui nous en avons discuté dans un article précédent), le carbure de silicium, les lasers et l'électronique lui permettent de bénéficier de tendances structurelles telles que la croissance de la fabrication de précision, de la fabrication additive (impression 3D), de l'électrification et des énergies renouvelables.
L'entreprise a a récemment séparé son activité carbure de silicium en une nouvelle entité, détenue à 75 % par Coherent, le reste étant détenu à parts égales par ses partenaires Mitsubishi Electric (apportant la propriété intellectuelle en carbure de silicium) et Denso (apportant son activité de fournisseur automobile sur l'électrification et les semi-conducteurs de puissance).
Cela est dû au fait que le carbure de silicium est de plus en plus une technologie à part entière, principalement utilisée dans les applications de haute puissance comme les véhicules électriques, les batteries et les énergies renouvelables.
Cohérent est un leader dans le LIDAR et la détection numérique 3D, y compris pour les applications de conduite autonome, biotechnologie Cellules de flux de séquençage de nouvelle génération (NGS) et lasers pour la fabrication de semi-conducteursElle s’attend à ce que ses principaux marchés connaissent une croissance de 8 à 20 %.
Source: Cohérent
Les autres nouvelles applications potentielles des lasers, comme les armes à énergie directe, l’informatique photonique, la fusion nucléaire et la technologie spatiale, pourraient toutes également contribuer à soutenir la croissance à long terme de l’entreprise.
Dans l’ensemble, Coherent est aussi proche que possible d’une société laser « pure play » cotée en bourse pour les investisseurs intéressés par le secteur, avec une forte intégration verticale et plus de 3,100 XNUMX brevets protégeant ses innovations.
Actualités et développements récents concernant l'action Coherent (COHR)
Étude référencée
1. Halini Rajpoot, Kaushik Nonavinakere Vinod, Tiegang Fang, Chengying Xu. Synthèse de carbure d'hafnium (HfC) par pyrolyse sélective par réaction laser en une étape à partir d'un précurseur de polymère liquide. Journal de la Société américaine de céramique.14 mai 2025https://doi.org/10.1111/jace.20650
