Come i Quasicristalli Rafforzano l’Alluminio Stampato in 3D di Qualità Aerospaziale

Dalla Teoria alla Pratica

A volte, l’attribuzione del Premio Nobel va a ricerche che possono risultare un po’ astratte per il grande pubblico. Questo è stato il caso del Premio Nobel per la Chimica del 2011, che ha premiato la scoperta dei “quasicristalli”.

Ciò è dovuto al fatto che molti materiali in natura, così come quelli artificiali, sono organizzati in cristalli “normali”. Ciò che li definisce è una semplice struttura 3D a livello atomico che si ripete milioni di volte, fino alla scala macroscopica. Queste strutture conferiscono le proprietà a vari metalli, nonché ad altri materiali come il silicio utilizzato nei chip dei computer e nei pannelli solari.

Esistono solo 230 possibili modi per gli atomi di formare schemi cristallini ripetitivi, qualcosa che in precedenza si credeva fosse una regola rigida della natura.

Fonte: Nobel Prize

Tuttavia, è emerso che fossero possibili altre strutture, in cui alcune forme di base possono essere assemblate per organizzare strutture molecolari regolari, pur non avendo un pattern ripetitivo. Questa scoperta è stata fatta da un ricercatore che lavora principalmente al National Institute of Standards and Technology (NIST).

Fonte: NIST

Andrew Iams, un ricercatore del NIST, potrebbe aver trovato applicazioni pratiche per tali quasicristalli, poiché si formano durante la stampa 3D di alluminio. Poiché l’alluminio è un metallo molto utile nelle applicazioni aerospaziali, ma anche notevolmente difficile da stampare in 3D, ciò potrebbe rappresentare una grande svolta.

(Puoi leggere una panoramica dell’industria della stampa 3D nel nostro articolo “Stampa 3D Consolidante nel Futuro della Produzione”).

Questi risultati¹, eseguiti da ricercatori del NIST, HRL Laboratories LLC e L.A. Giannuzzi & Associates LLC, sono stati pubblicati sul Journal of Alloys and Compounds, con il titolo “Microstructural features and metastable phase formation in a high-strength aluminum alloy fabricated using additive manufacturing”.

Perché i Cristalli Sono Importanti?

Mentre una struttura cristallina può conferire proprietà speciali a un materiale, presenta anche delle debolezze.

Poiché la struttura è estremamente regolare, può essere facile per gli atomi scivolare l’uno sull’altro. Quando ciò avviene su larga scala, si creano microfratture o addirittura grandi crepe nel materiale, rendendolo complessivamente più debole di quanto potrebbe teoricamente essere.

Questo problema è amplificato nella stampa 3D perché il metallo si fonde in piccole quantità e poi si raffredda molte volte. E sia per la stampa 3D sia per la forgiatura tradizionale, l’alluminio è particolarmente vulnerabile alle cosiddette crepe di solidificazione, o strappi a caldo.

Ciò avviene quando il metallo liquido rimanente non riesce a compensare la contrazione del metallo già solidificato durante il raffreddamento. Tali crepe compromettono l’integrità strutturale delle parti in alluminio, potenzialmente portando a materiali più deboli e più soggetti a rotture.

La Necessità di una Stampa 3D di Alluminio Migliore

Temperature Molto Più Estreme

Quando si colora l’alluminio nel modo tradizionale, le temperature del metallo liquido variano tra 690 °C e 725 °C (1274 °F – 1337 °F), e le velocità di raffreddamento durante la solidificazione tipicamente tra 0,4 °C/s e 10 °C/s.

Al contrario, la manifattura additiva (stampa 3D) per materiali metallici utilizza la fusione laser-polvere su letto, dove la polvere metallica viene depositata e poi fusa da un laser (segui il link per vederlo in video).

Ciò genera temperature del metallo liquido superiori a 3000 °C (5430 °F), oltre il punto di ebollizione del metallo anziché semplicemente fondendolo, e velocità di raffreddamento di solidificazione ultra-rapide che superano 1 milione di °C/s.

Queste temperature più elevate e le velocità di raffreddamento molto più alte amplificano il problema delle crepe di solidificazione.

“Le leghe di alluminio ad alta resistenza sono quasi impossibili da stampare. Tendono a sviluppare crepe, che le rendono inutilizzabili.”
Fan Zhang – fisico NIST

Le Promesse dell’Alluminio Stampato in 3D

Nonostante le difficoltà tecniche, la stampa 3D di alluminio è molto promettente, poiché può creare forme e componenti che altre tecniche di forgiatura non possono realizzare.

Ad esempio, parti di motori di razzi o ugelli di carburante per motori di aeroplani sono ora spesso realizzate con la stampa 3D, trasformando fino a 20 parti che richiedono assemblaggio in una sola e riducendone il peso.

Nel 2017, un team di HRL Laboratories (che ha contribuito alla ricerca discussa qui) ha scoperto che l’aggiunta di zirconio alla polvere di alluminio impediva alle parti stampate in 3D di creparsi, risultando in una lega resistente.

Fonte: Journal of Alloys and Compounds

Tuttavia, il motivo per cui ciò funziona era ancora poco compreso finché non sono state osservate strutture strane nella struttura atomica del metallo.

“Per fidarci di questo nuovo metallo a sufficienza da usarlo in componenti critici come parti di aeromobili militari, abbiamo bisogno di una comprensione approfondita di come gli atomi si incastrano.”
Fan Zhang – fisico NIST

Trovare e Creare i Quasicristalli

I ricercatori hanno dovuto utilizzare un microscopio elettronico per analizzare il materiale alla più piccola risoluzione d’immagine possibile. Questo ha rivelato che gli atomi erano disposti in schemi nuovi e strani, con simmetria rotazionale a cinque, tre e due facce, che non potevano essere causati dai cristalli normalmente presenti nella lega di alluminio.

“È allora che ho iniziato a emozionarmi. Perché pensavo di stare osservando un quasicristallo.”
Andrew Iams, ingegnere di ricerca sui materiali presso NIST

Oltre alle zone con grani fini di lega alluminio-zirconio, i ricercatori hanno osservato quasicristalli icosaedrici, nella forma di dadi a 20 facce.

Fonte: Math Stack Exchange

Ciò rompe la struttura cristallina regolare normalmente presente, riducendo il potenziale di formazione di crepe. Quindi i quasicristalli interrompono il pattern regolare dei cristalli di alluminio, creando difetti che rendono il metallo più resistente.

Fonte: Journal of Alloys and Compounds

La simulazione al computer ha poi fornito approfondimenti sulla formazione dei quasicristalli. È apparso che esiste una fase secondaria durante il processo di raffreddamento, favorevole alla formazione dei quasicristalli.

Dai nuclei costituiti da quasicristallo, le ramificazioni dei pattern di rottura delle linee di quasicristallo nel metallo lo rendono complessivamente più forte e meno soggetto a crepe durante il raffreddamento o sotto stress meccanico.

Fonte: NIST

Sviluppi Futuri

Questo nuovo tipo di lega di alluminio stampata in 3D mostra una durezza comparabile a quella dell’AA7075 in stato di invecchiamento ottimale, una lega di alluminio consolidata con alta resistenza alla corrosione e ampiamente utilizzata nelle parti strutturali degli aeromobili.

Questi test iniziali suggeriscono che il trattamento termico di indurimento per precipitazione potrebbe rendere questa lega ancora più dura, sebbene debba ancora essere dimostrato sperimentalmente.

Crea anche un quadro in cui la produzione di alluminio ancora più resistente potrebbe essere possibile. Ora che gli scienziati dei materiali possono prevedere parzialmente la formazione dei quasicristalli durante la manifattura additiva, possono concentrarsi sul migliorare la loro occorrenza per potenziare le prestazioni meccaniche.

Investire nella Stampa 3D

La stampa 3D sta appena raggiungendo la maturità tecnologica, così come la consolidazione del mercato. Questo offre agli investitori una maggiore visibilità rispetto al passato e conferma che questa tecnologia è lontana dall’essere una moda passeggera, ma è destinata a rimanere.

Puoi investire in società legate alla stampa 3D attraverso molti broker, e su questo sito puoi trovare le nostre raccomandazioni per i migliori broker negli Stati Uniti, Canada, Australia, Regno Unito, e in molti altri paesi.

Oltre alle società discusse di seguito, puoi trovare idee di investimento potenziali nel nostro articolo “Top 10 Azioni di Nanotecnologia”.

Se non sei interessato a selezionare società specifiche di stampa 3D, puoi anche considerare ETF come ARK Invest 3D Printing ETF (PRNT) per capitalizzare sulla crescita del settore della manifattura additiva nel suo complesso.

Un Esempio Innovativo

(Oltre alle società discusse di seguito, puoi leggere di altre nel nostro articolo “Top 10 Azioni di Manifattura Additiva e Stampa 3D da Tenere d’Occhio”)

Nano Dimension

La maggior parte delle aziende di manifattura additiva si concentra su metallo e plastica, con un occhio ai componenti meccanici complessi. Nano Dimension (NNDM ), invece, si è focalizzata sull’elettronica stampata in 3D. Questo include tecnologie molto specializzate come inchiostri conduttivi o dielettrici e ceramiche. Questi possono, ad esempio, essere usati per costruire componenti ottici o radio.

Questa è una delle possibili applicazioni della stampa 3D su scala nanometrica, che abbiamo approfondito in “La Stampa 3D su Scala Nanometrica Sembra Pronta per la Commercializzazione”.

Nano Dimension è cresciuta attraverso una combinazione di acquisizioni e R&D interne.

Fonte: Nano Dimensions

Questa strategia ha raggiunto un nuovo picco con l’acquisizione di Desktop Metal annunciata nel 2024  e finalizzata nel 2025. Insieme, le due aziende avranno una posizione molto più forte nella stampa 3D di metalli e ceramiche a tutte le scale, dall’elettronica a grandi attrezzature industriali e aerospaziali.

Ciò crea anche economie di scala unendo la base clienti che include SpaceX (SPCX ), Tesla (TSLA ), GE, Honeywell, Emerson, Raytheon, NASA, Medtronics, ecc.

Infine, le due aziende erano principalmente attive in aree geografiche diverse, con Nano Dimension in Europa e Desktop Metal negli Stati Uniti, consentendo sinergie mediante la fusione dei loro team di vendita.

Fonte: Nano Dimension

L’azienda afferma di poter ridurre l’impronta ecologica della produzione, con una riduzione del 94% delle emissioni di CO2, del 100% dell’acqua, del 98% dei materiali e dell’82% dei prodotti chimici. In generale, possiamo aspettarci che Nano Dimension emerga come uno dei leader della tecnologia.

Fonte: Nano Dimensions

Le aziende fuse sono molto ben posizionate per sfruttare le nuove scoperte nella stampa 3D e su come realizzare una lega di alluminio più resistente, con queste innovazioni destinate ad espandere il mercato indirizzabile.

Tuttavia, gli investitori devono essere consapevoli che sia l’acquisizione di Nano Dimension sia quella di Desktop Metal hanno mostrato flussi di cassa negativi, quindi la società risultante dovrà ridurre i costi o crescere sufficientemente per generare profitto in futuro.

Novità su Nano Dimension

Studi Citati:

^{1. Andrew D. Iamset al. (2025). Rapid manufacturing of high-permittivity dielectric elastomer actuator fibers. Journal of Alloys and Compounds. Volume 1025, 25 aprile 2025, 180281. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.180281}