La polacca 3D Lab sp. z o.o. ha ottenuto negli Stati Uniti il brevetto US12090554B2, legato a un metodo e a un dispositivo per produrre polveri di metalli pesanti tramite atomizzazione a ultrasuoni. Il brevetto, derivato dalla domanda US20220305554A1, è stato concesso il 17 settembre 2024; tra gli inventori indicati figurano Marcin Bielecki, Robert Ralowicz e Lukasz Sloboda, mentre l’assegnataria è 3D Lab sp. z o.o.
La tecnologia è alla base della famiglia ATO, la linea di atomizzatori compatti sviluppata da 3D Lab per produrre polveri metalliche sferiche destinate alla manifattura additiva, alla metallurgia delle polveri, ai rivestimenti e ad altre applicazioni industriali. Il tema non riguarda soltanto la proprietà intellettuale: nel settore della stampa 3D in metallo, la qualità della polvere incide direttamente su scorrevolezza, distribuzione granulometrica, ossidazione, densità del pezzo e stabilità del processo.
Perché il brevetto è importante per la stampa 3D in metallo
Nella stampa 3D metallica, soprattutto nei processi a letto di polvere come LPBF/SLM, la polvere non è un materiale neutro. Deve scorrere bene, distribuirsi in strati uniformi, avere una granulometria adatta alla macchina e mantenere una composizione chimica controllata. Una polvere troppo irregolare, troppo fine, troppo larga nella distribuzione dimensionale o troppo ossidata può rendere difficile la stesura del letto, aumentare la porosità e ridurre la ripetibilità della produzione.
Il brevetto di 3D Lab si concentra proprio sulla produzione di polveri sferiche tramite ultrasuoni. Nel documento brevettuale viene spiegato che le polveri metalliche ottenute con atomizzazione a ultrasuoni possono essere usate come materia prima per tecnologie additive, sinterizzazione e rivestimenti speciali. Il brevetto indica anche intervalli tipici di interesse per l’additive manufacturing, con distribuzioni granulometriche nell’ordine di 15-80 micron e valori medi D50 impostati in funzione del materiale.
Come funziona il principio dell’atomizzazione a ultrasuoni
Il processo descritto da 3D Lab parte da un materiale metallico di alimentazione, per esempio filo, barra o altra forma compatibile con il sistema. Il materiale viene portato vicino a una sorgente di calore, nel caso del brevetto un arco elettrico, fino a creare una piccola pozza di metallo fuso su un sonotrodo. Il sonotrodo trasmette vibrazioni meccaniche ultrasoniche al bagno fuso; queste vibrazioni generano l’espulsione di microgocce, che si raffreddano durante il percorso e solidificano in particelle di polvere.
La parte interessante è il controllo del processo. Il brevetto descrive la regolazione dell’alimentazione, della sorgente di calore e dei parametri del sonotrodo per dirigere le gocce metalliche e raccogliere almeno il 75% del materiale di partenza sotto forma di polvere desiderata. In un’altra domanda collegata, il dispositivo viene descritto con mezzi di alimentazione, fonte di calore, sistema di regolazione e raccolta; tra le rivendicazioni compaiono anche la vibrazione del sonotrodo e una gamma di frequenza da 15 kHz a 1000 kHz.
Cosa significa “metalli pesanti” nel brevetto
Nel linguaggio comune l’espressione “metalli pesanti” può far pensare a un tema ambientale o tossicologico. Qui il significato è tecnico e legato alla definizione brevettuale. Le rivendicazioni parlano di materiali metallici conduttivi con densità superiore a 8500 kg/m³ e temperatura di fusione superiore a 800 °C a 1 bar. Questo include materiali e leghe che possono essere complessi o costosi da trasformare in polvere, come platino, molibdeno, oro, palladio, tantalio e relative leghe.
Per questi materiali, il recupero della materia prima è un punto centrale. Se si lavora con leghe pregiate o elementi costosi, ogni grammo perso nel processo ha un impatto economico. Per questo 3D Lab ha sviluppato anche soluzioni come ATO Noble, orientata alla produzione di polveri da metalli preziosi come oro, argento, platino e palladio, con un sistema pensato per ridurre le perdite e recuperare il materiale non utilizzato.
3D Lab e la famiglia ATO
3D Lab è stata fondata nel 2007 e dichiara oltre quindici anni di esperienza nelle tecnologie additive e nello sviluppo di materiali. Nel proprio percorso cita collaborazioni con produttori come 3D Systems, Coherent e 2OneLab, oltre a investimenti in ricerca e sviluppo per la produzione di nuove polveri metalliche. La prima versione della tecnologia ATO, ATO One, è stata presentata a Formnext 2017.
La linea ATO si è poi ampliata con atomizzatori, sistemi di setacciatura, moduli di alimentazione, sistemi di pulizia e accessori per la gestione del processo. La piattaforma è stata progettata per laboratori, centri di ricerca, service bureau e utilizzatori industriali che vogliono produrre piccoli lotti di polvere metallica senza dipendere sempre da grandi impianti centralizzati.
ATO Lab Plus: polveri metalliche in scala da laboratorio
Uno dei prodotti principali collegati alla tecnologia brevettata è ATO Lab Plus, atomizzatore compatto per produzione di polveri metalliche in ambiente di laboratorio. 3D Lab indica una capacità di alcune centinaia di grammi all’ora e una gamma dimensionale delle particelle tra 20 e 120 micron, con l’obiettivo di ottenere polveri sferiche, buona scorrevolezza e distribuzione granulometrica stretta.
ATO Lab Plus può lavorare metalli reattivi e non reattivi, tra cui alluminio, titanio e acciaio inossidabile. Il sistema è modulare: può essere integrato con alimentazione a filo, alimentazione a barra singola, alimentazione a barre multiple e ATO Induction Melting System, cioè un modulo di fusione a induzione pensato per ampliare la gamma dei materiali e delle forme di materiale in ingresso.
Questa modularità è uno dei punti più utili per chi sviluppa nuove leghe. In un laboratorio universitario, in un reparto R&D o in un centro materiali, non sempre servono tonnellate di polvere. Spesso servono piccoli lotti controllati per testare composizione, granulometria, scorrevolezza, comportamento in LPBF, sinterizzazione, DED, binder jetting o rivestimenti. La pagina applicativa di 3D Lab elenca infatti tecnologie come LPBF/SLM, DED, powder spraying, brasatura, metallurgia delle polveri, laser cladding e binder jetting.
Dalla materia prima alla polvere su misura
Il vantaggio dichiarato dell’approccio ATO è la possibilità di agire su frequenza ultrasonica e altri parametri per produrre polveri con dimensioni e caratteristiche diverse. 3D Lab afferma che la tecnologia consente di ottenere polveri personalizzabili con basso contenuto di ossigeno, alta sfericità e buona scorrevolezza, per leghe reattive e non reattive.
Per un produttore additivo questo può essere utile in due direzioni. La prima riguarda la qualificazione di nuovi materiali: se un’azienda o un ente di ricerca sviluppa una lega non disponibile a catalogo, poter produrre una piccola quantità di polvere facilita i primi test. La seconda riguarda il riciclo o recupero di materiale metallico, per esempio sfridi, residui o materiale costoso che può essere riportato a una forma utilizzabile, quando il processo e la lega lo permettono.
Il modulo ATO IMS e l’apertura a più forme di materiale
Il modulo ATO Induction Melting System, indicato anche come ATO IMS, estende la piattaforma permettendo la fusione a induzione e l’uso di forme di feedstock più varie. Secondo 3D Lab, il modulo è pensato per atomizzare metalli e leghe in polvere fine e omogenea, riducendo le limitazioni legate alla forma iniziale del materiale. Può lavorare con crogioli e alimentazione a barre, semplificando lo sviluppo di polveri a partire da materiali non sempre disponibili in filo standard.
Questo passaggio è importante perché molti sistemi di atomizzazione compatti dipendono dalla forma del materiale di partenza. Se una lega sperimentale è disponibile solo in piccoli lingotti, frammenti o materiale irregolare, un sistema più flessibile può ridurre il numero di passaggi intermedi. Per chi lavora con materiali costosi, leghe personalizzate o scarti metallici da valorizzare, la possibilità di scegliere tra crogiolo, barra e altri sistemi di alimentazione può incidere sui costi e sui tempi di sviluppo.
ATO Noble e i metalli preziosi
Nel caso dei metalli preziosi, 3D Lab propone ATO Noble, una variante pensata per oro, argento, platino, palladio e leghe nobili. Qui il problema tecnico si somma al problema economico: se il materiale costa molto, il processo deve ridurre dispersioni, contaminazioni e perdite. 3D Lab descrive ATO Noble con un sistema di filtrazione dedicato e una gestione del ricircolo del gas pensata per recuperare il materiale e riutilizzarlo.
Le applicazioni possibili non si limitano alla gioielleria. Polveri di metalli preziosi o refrattari possono essere utili in dispositivi medicali, elettronica, catalizzatori, rivestimenti, sensori, celle a combustibile, contatti elettrici ad alta temperatura e componenti per ambienti difficili. Il brevetto stesso cita tra le applicazioni additive manufacturing, metallurgia delle polveri, rivestimenti, catalizzatori, elettrodi, sensori, ugelli ad alta temperatura, gioielleria e metal injection molding.
Perché la sfericità della polvere conta
Una polvere più sferica tende a scorrere meglio rispetto a particelle irregolari o allungate. Nelle macchine a letto di polvere questo aiuta a formare strati più uniformi. Se la polvere si distribuisce male, la fusione laser può diventare instabile; se la distribuzione granulometrica è troppo ampia, il letto può compattarsi in modo non uniforme; se l’ossigeno è troppo alto, alcune leghe possono perdere proprietà o introdurre difetti.
Il documento brevettuale sottolinea la relazione tra forma delle particelle, scorrevolezza e porosità del pezzo stampato. Viene anche evidenziato che particelle molto fini, sotto i 10 micron, possono avere scarsa scorrevolezza e peggiorare la deposizione del letto di polvere. Non è quindi sufficiente produrre “polvere fine”: serve una polvere con un equilibrio tra dimensione, forma, purezza e comportamento nel processo.
Un brevetto dentro una strategia più ampia
Il brevetto statunitense non è un episodio isolato. 3D Lab indica una famiglia di brevetti e domande collegate a Stati Uniti, Cina, Giappone, Corea, Europa, Polonia e WO/PCT, con titoli relativi alla produzione di polveri metalliche sferiche tramite atomizzazione a ultrasuoni, sonotrodi, sistemi di evacuazione della polvere e moduli per il processo.
Questa copertura brevettuale aiuta l’azienda a proteggere una parte centrale del proprio ecosistema ATO. Nel settore delle polveri metalliche, infatti, il valore non è solo nella macchina: è nel know-how di processo, nei parametri, nel modo in cui il materiale viene fuso, atomizzato, raffreddato, raccolto, setacciato e conservato. La protezione brevettuale diventa quindi un modo per difendere una piattaforma completa, non soltanto un componente.
Cosa cambia per laboratori e aziende
Per un grande produttore di polveri, gli impianti di atomizzazione tradizionali restano fondamentali. Ma non tutti gli utenti hanno bisogno di volumi industriali. Università, centri di ricerca, reparti materiali e aziende che sviluppano nuove leghe possono avere esigenze diverse: piccoli lotti, materiali non standard, test rapidi, iterazioni frequenti e costi di sviluppo più contenuti.
In questo contesto, un atomizzatore compatto come ATO Lab Plus può permettere di produrre internamente polveri per prove iniziali, riducendo la dipendenza da fornitori esterni. Non significa eliminare le fasi di qualifica o controllo qualità. Significa avere più autonomia nello sviluppo del materiale, soprattutto quando si lavora con leghe non ancora disponibili commercialmente o con materiali che richiedono molti cicli di prova.
Il punto da osservare
Il brevetto USA rafforza la posizione di 3D Lab nel segmento degli atomizzatori compatti per polveri metalliche. La parte più interessante non è solo il riconoscimento legale, ma il legame tra brevetto, macchina e applicazione: la tecnologia descritta protegge un modo specifico di trasformare metallo fuso in particelle sferiche tramite vibrazioni ultrasoniche, con controllo del materiale di partenza, della fusione, della traiettoria delle gocce e della raccolta della polvere.
Per la stampa 3D in metallo, questo conferma una tendenza già chiara: la competizione non riguarda soltanto laser, camere di stampa e software macchina, ma anche la produzione del materiale di partenza. La qualità della polvere rimane uno dei fattori decisivi per ottenere parti ripetibili, ridurre difetti e sviluppare nuove leghe. Con la famiglia ATO, 3D Lab punta proprio su questa fase della filiera: produrre polveri metalliche su scala controllata, vicino al laboratorio o al reparto che deve testarle, invece di affidarsi sempre a grandi lotti esterni.
