La stampa 3D ceramica sta trovando spazio in una delle fasi meno visibili, ma più delicate, della produzione dei motori aeronautici: la realizzazione dei nuclei impiegati per ottenere i canali interni delle pale di turbina.
3DCeram Sinto e Avignon Ceramic hanno mostrato i risultati del loro lavoro congiunto sulla produzione additiva di questi componenti, mettendo in evidenza il passaggio dalla sperimentazione del materiale a un processo capace di sostenere anche piccole serie destinate al settore aerospaziale.
La collaborazione non nasce nel 2026. Le due aziende francesi hanno costituito nel 2021 il progetto U3DC, United 3D-Cores, con l’obiettivo di mettere insieme le competenze di 3DCeram nella stereolitografia ceramica e l’esperienza di Avignon Ceramic nella produzione di nuclei per la microfusione. L’elemento significativo emerso dal nuovo caso applicativo è il livello di maturità raggiunto: nel 2025 un progetto di prova relativo a componenti militari è stato trasformato in una produzione in serie limitata.
A cosa serve un nucleo ceramico
Per comprendere l’importanza di questa applicazione occorre partire dalla funzione del nucleo.
Le pale delle turbine aeronautiche lavorano in un ambiente caratterizzato da temperature e sollecitazioni estreme. Per controllarne la temperatura, all’interno della pala vengono ricavati canali nei quali può circolare aria di raffreddamento. Questi condotti non vengono lavorati dopo la fusione, perché possono presentare percorsi sottili, curvi, ramificati e difficilmente raggiungibili con utensili convenzionali.
La loro geometria viene quindi definita prima della colata mediante un nucleo ceramico. Il nucleo costituisce, in sostanza, il negativo dei futuri canali interni.
Nel processo di microfusione a cera persa, il nucleo viene inserito nello stampo utilizzato per produrre il modello in cera. Attorno al modello viene costruito un guscio ceramico; la cera viene eliminata e lo spazio lasciato libero viene riempito con la lega metallica fusa. Dopo la solidificazione, il nucleo interno viene rimosso mediante trattamenti chimici. Al suo posto rimane la rete di canali destinata al raffreddamento della pala.
Il nucleo deve quindi soddisfare esigenze apparentemente contrastanti. Deve essere abbastanza resistente da sopportare le operazioni di manipolazione, la formazione del modello in cera e la colata del metallo, ma deve anche poter essere eliminato senza danneggiare il componente metallico. Deve inoltre conservare con precisione la propria forma durante i trattamenti termici.
Howmet Aerospace descrive i nuclei ceramici come gli elementi che formano i passaggi interni attraverso i quali l’aria fredda viene convogliata nelle pale, contribuendo ad aumentare la temperatura operativa e la durata dei componenti del motore. È un esempio di come le prestazioni finali di una pala dipendano anche dalla precisione di un elemento provvisorio, destinato a scomparire al termine del processo produttivo. Howmet Aerospace
I limiti dello stampaggio a iniezione ceramica
Avignon Ceramic produce nuclei per la fonderia di precisione da oltre trent’anni e lavora per aziende del settore aeronautico e delle turbine a gas. Tra i nomi indicati nella presentazione del progetto figurano Howmet Aerospace, Rolls-Royce e Safran.
L’azienda utilizza da tempo il Ceramic Injection Moulding, o CIM, nel quale una miscela composta da polvere ceramica e leganti viene iniettata all’interno di uno stampo. Dopo l’estrazione, il pezzo “verde” attraversa le fasi di rimozione del legante e di cottura.
Il processo è adatto alla produzione seriale, ma la realizzazione dello stampo richiede tempo e comporta vincoli geometrici. Il problema diventa più evidente quando i progettisti introducono nuclei a doppia o tripla parete, strutture sottili e reti interne con numerosi collegamenti.
In alcuni casi il nucleo deve essere suddiviso in più elementi, prodotti separatamente e assemblati a mano. Le giunzioni aggiungono operazioni, tolleranze e possibili punti di difetto. Un disallineamento molto piccolo può compromettere la geometria del canale interno oppure causare la rottura del nucleo durante le successive fasi di lavorazione.
Ogni modifica al progetto può inoltre richiedere la correzione o la sostituzione dello stampo. Durante lo sviluppo di una nuova pala questo rallenta il ciclo di prova, perché una variazione introdotta nel modello CAD deve essere trasferita anche all’attrezzatura fisica.
Secondo 3DCeram, la produzione tradizionale di nuclei complessi può quindi richiedere la suddivisione del componente e un assemblaggio manuale, con un aumento degli scarti legati soprattutto alle giunzioni.
Una pasta ceramica sviluppata dalle due aziende
Il progetto non si è limitato all’installazione di una stampante. Il materiale impiegato per il nucleo è parte integrante del processo.
Avignon Ceramic ha messo a disposizione la propria conoscenza delle composizioni minerali, del comportamento dei nuclei durante la colata e dei requisiti della microfusione. 3DCeram ha contribuito con le competenze relative ai leganti organici, alla fotopolimerizzazione e alla preparazione di paste ceramiche adatte alla stereolitografia.
Da questa attività è nata una formulazione stampabile destinata ai processi DS e SX. Le sigle indicano rispettivamente la solidificazione direzionale e la produzione di componenti monocristallini, due tecniche impiegate per realizzare parti capaci di resistere alle condizioni presenti nelle sezioni più calde dei motori.
La formulazione Silicore di 3DCeram è basata sulla silice e combina resistenza meccanica e porosità. Quest’ultima proprietà facilita l’eliminazione chimica del nucleo dopo la colata, anche quando la forma comprende passaggi interni complessi. 3DCeram – Silicore
Il materiale deve essere valutato lungo l’intera catena produttiva. Non è sufficiente ottenere un pezzo correttamente stampato: occorre controllare la rimozione del legante, il ritiro durante la sinterizzazione, la stabilità dimensionale, la resistenza alla colata e la successiva eliminazione del nucleo.
Uno studio pubblicato nel 2025 su Open Ceramics ha mostrato, in un’applicazione analoga, la produzione mediante DLP di nuclei complessi in silice. Dopo la stampa, i campioni sono stati sottoposti a debinding e sinterizzazione a 1.220 °C per sei ore. Il lavoro conferma quanto la progettazione dei supporti, l’orientamento di stampa e la compensazione delle deformazioni siano determinanti per mantenere la precisione del modello CAD.
La produzione con la C100 Easy
Per lo sviluppo dei nuclei Avignon Ceramic ha utilizzato una C100 Easy di 3DCeram, basata su stereolitografia con configurazione top-down.
Una pasta contenente particelle ceramiche e una componente fotosensibile viene distribuita in strati sottili. Il laser solidifica selettivamente le aree corrispondenti alla sezione del modello digitale. La sequenza viene ripetuta fino al completamento del pezzo verde, che deve poi essere pulito, liberato dal legante e cotto.
Secondo Julie Josso, ingegnera chimica specializzata in materiali presso Avignon Ceramic, la disponibilità di numerosi parametri regolabili ha permesso di adattare il processo alle diverse geometrie. La configurazione scelta ha prodotto nuclei vicini alle dimensioni previste dal CAD, limitando problemi quali deformazioni e separazione degli strati.
Si tratta di un aspetto essenziale. Nella stampa 3D ceramica la precisione osservata appena terminata la costruzione non coincide necessariamente con quella del componente cotto. Durante il debinding e la sinterizzazione il pezzo si ritira e può deformarsi. Il modello digitale, l’orientamento, i supporti, la distribuzione del materiale e il ciclo termico devono quindi essere considerati come parti di un unico processo.
Dai mesi necessari per lo stampo a meno di due settimane
Il vantaggio più immediato riguarda l’eliminazione dello stampo dedicato. Con il sistema convenzionale la progettazione e la costruzione dell’attrezzatura possono richiedere settimane o mesi. La stampa 3D permette invece di passare dal file alla produzione del nucleo senza attendere la fabbricazione dello stampo.
3DCeram e Avignon Ceramic indicano un tempo inferiore a due settimane per ottenere un componente stampato, cotto e finito. Se il progettista modifica la geometria, il file può essere corretto nell’arco di alcune ore e inviato a una nuova produzione.
Questo non significa che la stampa 3D sostituisca automaticamente il CIM in ogni situazione. Quando la geometria è stabile e i volumi sono elevati, lo stampaggio a iniezione conserva vantaggi in termini di produttività e costo unitario. La manifattura additiva assume invece un ruolo preciso nello sviluppo, nelle varianti progettuali, nei ricambi, nelle piccole serie e nei nuclei non realizzabili mediante uno stampo convenzionale.
Le fasi successive della microfusione possono rimanere sostanzialmente invariate. Una volta prodotto, il nucleo stampato viene inserito nello stesso ciclo utilizzato per quelli ottenuti tramite CIM. Questo riduce l’impatto dell’introduzione della stampa 3D sul resto della linea produttiva.
Il passaggio alla piccola serie
Nel 2025 una grande azienda aerospaziale, il cui nome non è stato comunicato, ha scelto il processo additivo per una prova relativa a componenti militari. Il progetto è stato poi portato alla produzione in serie limitata.
Il dato è importante perché indica un passaggio oltre la semplice dimostrazione geometrica. Per arrivare a produrre nuclei destinati a componenti aerospaziali occorre garantire ripetibilità, tracciabilità del materiale, stabilità dei cicli termici e controllo dimensionale.
Avignon Ceramic dispone di un processo che comprende preparazione delle miscele, formatura, cottura, controlli visivi, finitura e misurazione tridimensionale. L’azienda dichiara di utilizzare cinque macchine di misura 3D per verificare la conformità dei componenti. La produzione additiva viene quindi inserita in un sistema industriale che comprende anche le operazioni successive alla stampa. Avignon Ceramic
Un’integrazione tra stampa 3D e processi esistenti
Il caso di 3DCeram e Avignon Ceramic mostra un impiego della produzione additiva basato sull’integrazione con una filiera consolidata. Il risultato non è una pala di turbina stampata interamente in 3D, ma un’attrezzatura ceramica sacrificabile che consente di produrre passaggi interni più articolati nel componente metallico.
La libertà geometrica non elimina le esigenze della fonderia. Il nucleo deve continuare a resistere alla produzione del modello in cera, alla formazione del guscio, alle temperature della colata e alle sollecitazioni della solidificazione. Deve infine essere rimosso in modo completo.
Il progetto U3DC riunisce quindi tre elementi: macchina, materiale e conoscenza del processo di fonderia. 3DCeram mette a disposizione la piattaforma SLA e le formulazioni fotopolimerizzabili; Avignon Ceramic verifica che il nucleo possa attraversare l’intera catena della microfusione e soddisfare le specifiche dell’industria aeronautica.
È questa combinazione, più che la sola capacità di stampare una forma complessa, a rendere possibile il passaggio dal prototipo alla piccola serie.
