Oak Ridge National Laboratory (ORNL) e A.J. Tuck Company hanno sviluppato un processo produttivo ibrido che combina stampa 3D di polimeri, elettroformatura metallica e Hot Isostatic Pressing (HIP) con l’obiettivo di realizzare componenti complessi per reattori nucleari avanzati, infrastrutture energetiche e applicazioni della difesa. Il progetto affronta un problema meno evidente rispetto alla progettazione dei nuovi reattori, ma decisivo per la loro industrializzazione: la capacità di produrre in tempi ragionevoli grandi componenti metallici ad alte prestazioni senza dipendere esclusivamente dalle tradizionali filiere di forgiatura e fusione. ORNL e A.J. Tuck Company non stanno cercando semplicemente di sostituire una tecnica produttiva con la stampa 3D. Il metodo sfrutta invece tecnologie differenti nel punto in cui ciascuna offre il maggiore vantaggio: l’additive manufacturing permette di generare rapidamente geometrie complesse, l’elettroformatura crea un involucro metallico preciso ed ermetico e l’HIP trasforma la polvere contenuta al suo interno in un componente metallico denso. Il risultato è un approccio particolarmente interessante per una filiera nucleare statunitense che deve aumentare la propria capacità produttiva mentre cresce il numero di progetti dedicati a reattori avanzati e Small Modular Reactors.
Il vero obiettivo del progetto sono gli HIP can
Al centro del lavoro di ORNL e A.J. Tuck Company ci sono gli HIP can, contenitori metallici sigillati utilizzati nella Powder Metallurgy Hot Isostatic Pressing, indicata anche con l’acronimo PM-HIP. Il principio del PM-HIP consiste nell’inserire una polvere metallica all’interno di un contenitore ermetico, rimuovere l’aria, sigillare il sistema e sottoporlo contemporaneamente a temperature elevate e a una pressione uniforme. In queste condizioni le particelle di polvere si consolidano formando una massa metallica praticamente piena, permettendo di ottenere componenti vicini alla geometria finale e riducendo una parte delle lavorazioni successive. La tecnologia è particolarmente interessante per componenti difficili da produrre attraverso forgiatura tradizionale e per leghe destinate a funzionare in ambienti severi. Il problema è che la produzione dello stesso contenitore utilizzato durante l’HIP può diventare complessa. Un HIP can tradizionale può richiedere taglio, formatura, lavorazioni meccaniche, assemblaggio e numerose saldature. Ogni giunzione rappresenta un elemento da controllare perché durante il ciclo HIP il contenitore deve rimanere perfettamente ermetico. Una perdita può compromettere la pressione interna, contaminare il materiale e portare allo scarto del pezzo. Il nuovo processo cerca quindi di semplificare proprio la costruzione dell’involucro.
La prima fase viene affidata alla stampa 3D polimerica
Il processo comincia con la produzione additiva di un mandrino polimerico che riproduce la geometria interna richiesta per l’HIP can. Questa scelta rappresenta uno degli aspetti più interessanti del progetto. ORNL avrebbe potuto utilizzare direttamente una tecnologia di additive manufacturing metallico, ma la stampa del modello in polimero permette di realizzare forme complesse utilizzando macchine e materiali meno costosi e senza introdurre le elevate temperature tipiche dei processi metallici. Un componente metallico stampato direttamente può subire tensioni residue, deformazioni termiche e variazioni dimensionali che richiedono strategie di supporto, trattamenti termici e lavorazioni successive. Nel processo sviluppato con A.J. Tuck Company, invece, il componente stampato inizialmente è soltanto una forma temporanea. La sua funzione è definire la geometria sulla quale verrà successivamente costruito l’involucro metallico. Una modifica progettuale può quindi essere introdotta intervenendo sul modello digitale e ristampando rapidamente il mandrino, senza dover realizzare nuovi stampi o attrezzature dedicate.
A.J. Tuck Company costruisce il guscio metallico attraverso elettroformatura
Il mandrino stampato viene successivamente trasferito ad A.J. Tuck Company, dove entra nel processo di elettroformatura. L’azienda del Connecticut è specializzata nella progettazione e produzione di componenti elettroformati e dichiara oltre un secolo di esperienza nello sviluppo di questi processi. Il suo sistema di gestione della qualità è certificato AS9100D e ISO 9001:2015 per la progettazione e produzione di componenti, moduli e sistemi basati sull’elettroformatura, un elemento significativo considerando le possibili applicazioni del progetto anche nei settori aerospaziale e della difesa. L’elettroformatura utilizza un bagno elettrolitico nel quale il metallo viene depositato progressivamente sulla superficie del mandrino attraverso un processo elettrochimico. Nel progetto ORNL viene utilizzato nichel, che cresce sulla forma stampata fino a generare un guscio uniforme con uno spessore indicativo compreso tra circa 2 e 3 millimetri. A differenza di un semplice rivestimento superficiale, l’elettroformatura può produrre una struttura sufficientemente spessa da diventare un componente metallico autonomo. Terminata la deposizione, il mandrino polimerico viene rimosso. Nei test effettuati da ORNL è stato dissolto mediante un trattamento acido, lasciando soltanto il contenitore metallico cavo.
Dal guscio di nichel nasce il componente attraverso Hot Isostatic Pressing
Una volta eliminato il mandrino, il guscio elettroformato diventa il vero HIP can. La cavità viene riempita con polvere metallica, evacuata e sigillata prima dell’inserimento nell’impianto di Hot Isostatic Pressing. Durante il ciclo HIP, temperatura elevata e pressione agiscono simultaneamente e in modo uniforme sul contenitore, consolidando la polvere fino a produrre un pezzo metallico denso. Il vantaggio del sistema è che la geometria inizialmente definita tramite stampa 3D viene trasferita prima al guscio elettroformato e poi al componente consolidato. Si crea quindi una catena digitale-produttiva nella quale una geometria complessa può essere progettata al computer, trasformata rapidamente in una forma polimerica e quindi riprodotta in metallo senza dover realizzare utensili convenzionali specifici per ciascuna variante. Il PM-HIP è già noto per la capacità di produrre componenti near-net-shape, cioè molto vicini alla forma definitiva. L’integrazione dell’elettroformatura punta a estendere questa flessibilità anche alla realizzazione del contenitore, che rappresenta una parte fondamentale dell’intero processo.
Cinque HIP can prodotti senza perdite nella prima fase
La prima fase sperimentale ha permesso a ORNL e A.J. Tuck Company di produrre cinque HIP can cilindrici che hanno superato i test di ermeticità. Ogni contenitore misurava circa sei pollici di altezza e quattro pollici di diametro, equivalenti approssimativamente a 15 e 10 centimetri. ORNL ha utilizzato uno di questi contenitori per produrre un componente solido in nichel del peso di 15,7 libbre, circa 7,1 chilogrammi. Non si tratta ancora delle dimensioni richieste per molti grandi componenti nucleari, ma il risultato ha permesso di dimostrare il principio fondamentale: un guscio metallico prodotto tramite elettroformatura su un mandrino stampato può mantenere l’ermeticità necessaria per affrontare il ciclo HIP. Nel settore nucleare questo aspetto è essenziale perché il processo deve essere non soltanto geometricamente flessibile, ma anche ripetibile e controllabile. Un componente destinato a lavorare con pressioni, temperature e ambienti difficili non può dipendere da un contenitore la cui tenuta sia incerta.
L’eliminazione di una saldatura risolve uno dei punti più delicati
Il gruppo di ricerca ha inoltre modificato la progettazione dell’HIP can integrando direttamente la porta utilizzata per le operazioni di riempimento, evacuazione e processo. Nei contenitori convenzionali i tubi necessari possono essere prodotti separatamente e poi saldati al corpo principale. Questa configurazione introduce ulteriori giunti e quindi potenziali punti nei quali possono verificarsi perdite durante il ciclo HIP. Il processo sviluppato da ORNL e A.J. Tuck Company permette invece di includere questa geometria nell’involucro elettroformato. Ridurre il numero di saldature non significa soltanto diminuire il rischio di perdita: può ridurre anche il numero di operazioni produttive, controlli intermedi e rilavorazioni. È un esempio concreto del motivo per cui la libertà geometrica offerta dalla stampa 3D assume valore anche quando il pezzo stampato in polimero non diventa parte del prodotto finale. L’additive manufacturing permette di ripensare l’intero processo e non semplicemente di imitare la geometria di un componente convenzionale.
Perché l’elettroformatura può essere interessante anche per componenti di grandi dimensioni
Secondo ORNL, uno dei vantaggi dell’elettroformatura è che il tempo necessario alla deposizione dipende principalmente dallo spessore metallico richiesto e meno direttamente dalla massa complessiva del componente. Questo elemento potrebbe rendere interessante la tecnologia quando le dimensioni crescono. Più componenti possono inoltre essere trattati contemporaneamente all’interno dello stesso processo, aumentando la produttività. Naturalmente passare dai cilindri dimostrativi della prima fase a grandi componenti per reattori richiederà ulteriori verifiche su uniformità dello spessore, precisione, controllo dimensionale, qualità superficiale e capacità degli impianti. Tuttavia, il principio consente di immaginare involucri con geometrie che attraverso taglio, piegatura e saldatura di lamiere sarebbero molto più complessi da costruire. ORNL indica tra le possibili applicazioni recipienti in pressione, valvole, giranti, sistemi per turbine e altri grandi componenti metallici destinati alle infrastrutture energetiche.
La seconda fase passa dalle geometrie cilindriche a impeller e valvole
Conclusa la dimostrazione iniziale, ORNL e A.J. Tuck Company stanno affrontando geometrie più rappresentative delle applicazioni industriali. La seconda fase prevede infatti la produzione di una girante, o impeller, oppure di una valvola destinata a sistemi rilevanti per il settore nucleare. Una girante presenta superfici curve e passaggi tridimensionali molto più complessi rispetto a un semplice cilindro e rappresenta quindi un banco di prova significativo per verificare quanto efficacemente il processo possa trasferire una geometria complessa dalla stampa polimerica all’involucro elettroformato e infine al pezzo consolidato tramite HIP. La capacità di utilizzare lo stesso principio per componenti differenti è decisiva anche dal punto di vista economico. Se ogni nuova geometria richiedesse lo sviluppo di costose attrezzature dedicate, una parte del vantaggio dell’approccio digitale verrebbe persa. Utilizzando invece il modello stampato come elemento sacrificabile, il costo di passaggio da un progetto a un altro può essere ridotto.
La produzione nucleare statunitense deve affrontare un problema di capacità industriale
L’interesse del Department of Energy per tecnologie di questo tipo nasce anche dalla struttura della supply chain nucleare. I grandi componenti destinati ai reattori richiedono capacità di forgiatura, fusione e lavorazione che non sono disponibili in numero illimitato negli Stati Uniti. Alcune delle infrastrutture capaci di produrre grandi forgiati sono concentrate fuori dal paese, creando dipendenze industriali che diventano particolarmente rilevanti quando numerosi progetti nucleari devono essere costruiti nello stesso periodo. Realizzare un grande recipiente in pressione attraverso tecniche tradizionali richiede inoltre impianti di dimensioni considerevoli, utensili specifici e tempi produttivi lunghi. ORNL non sostiene che PM-HIP, elettroformatura e additive manufacturing possano sostituire immediatamente ogni grande forgiato. La strategia del laboratorio è piuttosto quella di aumentare il numero di opzioni disponibili all’industria americana, sviluppando processi alternativi che possano essere qualificati per una parte crescente dei componenti.
ORNL e Idaho National Laboratory stanno affrontando lo stesso problema anche con il Wire Arc Additive Manufacturing
Il progetto con A.J. Tuck Company non è un’iniziativa isolata. Il 19 agosto 2026 ORNL e Idaho National Laboratory hanno annunciato una collaborazione dedicata proprio all’espansione della capacità statunitense di produrre recipienti industriali in pressione. In questo caso la tecnologia utilizzata è il Wire Arc Additive Manufacturing, nel quale filo metallico viene fuso tramite arco elettrico e depositato progressivamente per costruire strutture di grandi dimensioni. Nel luglio 2026 la Manufacturing Demonstration Facility di ORNL ha prodotto un recipiente dimostrativo alto circa cinque piedi e largo tre piedi utilizzando una lega d’acciaio rilevante per applicazioni nucleari. Il componente è stato costruito con MedUSA, la piattaforma di ORNL che utilizza tre bracci robotici coordinati. Il progetto dimostra come il Department of Energy stia esplorando più percorsi contemporaneamente. Il Wire Arc Additive Manufacturing può costruire direttamente grandi strutture metalliche; il processo ORNL-A.J. Tuck utilizza invece la stampa 3D per produrre l’attrezzatura sacrificabile necessaria all’elettroformatura e al PM-HIP. Non sono necessariamente tecnologie concorrenti: potrebbero servire componenti, dimensioni e requisiti differenti.
La qualificazione rimane il passaggio decisivo per l’industria nucleare
Produrre una geometria complessa è soltanto una parte del problema. Per entrare nella filiera nucleare un componente deve dimostrare caratteristiche metallurgiche, meccaniche e dimensionali affidabili e ripetibili. È proprio per questo motivo che la collaborazione parallela tra ORNL e Idaho National Laboratory comprende sistemi di monitoraggio in tempo reale, intelligenza artificiale, caratterizzazione dei materiali e strumenti digitali destinati alla qualificazione. Nel progetto dedicato al recipiente stampato con MedUSA, ORNL vuole arrivare al concetto di “born-qualified”: utilizzare i dati acquisiti durante la produzione per verificare geometria e caratteristiche del materiale mentre il componente viene realizzato, anziché affidarsi esclusivamente alle ispezioni effettuate dopo la fabbricazione. Lo stesso principio generale può diventare importante per il PM-HIP. Ridurre i tempi di produzione non avrebbe infatti un impatto sufficiente se ogni componente dovesse poi affrontare procedure di qualificazione troppo lunghe per essere economicamente competitive.
A.J. Tuck Company passa dalla collaborazione alla licenza della tecnologia
Il rapporto tra Oak Ridge National Laboratory e A.J. Tuck Company è stato sviluppato attraverso un Cooperative Research and Development Agreement, o CRADA, uno degli strumenti attraverso i quali i laboratori nazionali statunitensi collaborano con aziende private. Il progetto è successivamente arrivato a un accordo di licenza, formalizzato durante i Materials and Manufacturing Innovation Days organizzati da ORNL il 19 e 20 agosto 2026. Questo passaggio è importante perché mostra che l’obiettivo non è mantenere il processo esclusivamente all’interno del laboratorio. Una licenza permette di trasferire la proprietà intellettuale verso il partner industriale e di creare le condizioni per un eventuale utilizzo commerciale della tecnologia. ORNL e A.J. Tuck Company hanno inoltre depositato una invention disclosure e una domanda di brevetto provvisoria relativa al processo. A.J. Tuck porta al progetto le proprie competenze nell’elettroformatura e nella lavorazione dei metalli, mentre ORNL contribuisce con additive manufacturing, progettazione, scienza dei materiali, simulazione e accesso alle infrastrutture della Manufacturing Demonstration Facility.
La Manufacturing Demonstration Facility continua a essere il punto di incontro tra ricerca e industria
La parte ORNL del programma è stata sviluppata presso la Manufacturing Demonstration Facility, la struttura del Department of Energy dedicata allo sviluppo e alla dimostrazione di tecnologie avanzate di produzione. La MDF è sostenuta dall’Advanced Materials and Manufacturing Technologies Office del DOE e lavora attraverso collaborazioni con aziende, università e altri laboratori nazionali. Negli anni è diventata uno dei principali centri statunitensi per additive manufacturing di grande formato, automazione, robotica, materiali e digital manufacturing. Il modello utilizzato nel progetto A.J. Tuck è coerente con questa funzione: una tecnologia sviluppata nel laboratorio viene verificata attraverso dimostrazioni fisiche, adattata insieme a un partner industriale e quindi trasferita tramite licenza. Per l’industria nucleare questo meccanismo può essere particolarmente importante perché i costi e i tempi necessari a sviluppare autonomamente nuovi processi produttivi qualificabili possono scoraggiare aziende di dimensioni medio-piccole.
L’aspetto più interessante è l’utilizzo della stampa 3D come tecnologia intermedia
Dal punto di vista dell’additive manufacturing, il progetto ORNL-A.J. Tuck Company offre un’indicazione importante sull’evoluzione del settore. La stampa 3D non viene utilizzata per produrre direttamente il componente nucleare finale. Serve invece per fabbricare rapidamente un mandrino che consente a un secondo processo, l’elettroformatura, di creare un contenitore che a sua volta rende possibile il terzo processo, l’HIP. Il componente definitivo è quindi il risultato di una catena produttiva ibrida. È una modalità di utilizzo dell’AM meno appariscente rispetto alla stampa diretta di una parte per reattore, ma potenzialmente molto importante dal punto di vista industriale. La vera convenienza dell’additive manufacturing non consiste necessariamente nel sostituire ogni tecnologia convenzionale: in molti casi può essere maggiore quando viene inserito nel punto del processo nel quale permette di eliminare utensili, stampi, saldature o passaggi produttivi costosi.
Dalla stampa 3D diretta alla manifattura ibrida
Il lavoro di Oak Ridge National Laboratory e A.J. Tuck Company mostra quindi un possibile percorso per l’industrializzazione dell’additive manufacturing nelle applicazioni nucleari. Invece di chiedere a una sola tecnologia di risolvere l’intero problema, il processo sfrutta stampa 3D polimerica, elettrochimica, metallurgia delle polveri e pressatura isostatica. La prima fase ha dimostrato la possibilità di ottenere HIP can ermetici; la seconda dovrà verificare il comportamento del sistema con geometrie più complesse e maggiormente rappresentative delle applicazioni reali. Rimangono inoltre da affrontare scala, costi, materiali, ripetibilità, qualificazione e conformità ai requisiti nucleari. Non è quindi una tecnologia già pronta a sostituire le grandi filiere di forgiatura. Il valore del progetto sta piuttosto nell’aprire una strada industriale alternativa, nella quale la produzione digitale può ridurre alcune delle dipendenze da attrezzature e fornitori altamente specializzati. In un mercato nel quale Stati Uniti e altri paesi stanno cercando di aumentare il numero di reattori avanzati e modulari, migliorare la capacità di produrre i componenti potrebbe diventare importante quanto sviluppare il reattore stesso.
