Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) sta sviluppando un nuovo sistema di Liquid Metal Jetting nel quale la stessa corrente elettrica che attraversa il metallo fuso genera la forza necessaria a espellerlo dall’ugello sotto forma di piccole gocce. La tecnologia è descritta nella domanda di brevetto internazionale WO2026173624A2, pubblicata il 20 agosto 2026 con il titolo “Z-Pinch Magnetohydrodynamic Metal Jetting”, e nella corrispondente domanda statunitense US20260008106A1 pubblicata l’8 gennaio 2026. Gli inventori indicati sono Jason R. Jeffries, Viktor Sukhotskiy e Benjamin Thanh Pham, mentre il titolare è Lawrence Livermore National Security, LLC, società che gestisce LLNL per il Department of Energy statunitense. L’idea è interessante perché elimina uno degli elementi normalmente necessari nei sistemi magnetoidrodinamici di metal jetting: un magnete permanente o una bobina esterna che produca il campo magnetico utilizzato per spingere il metallo. Nel sistema LLNL è invece il passaggio di una corrente molto elevata direttamente attraverso la colonna di metallo liquido a creare contemporaneamente corrente e campo magnetico. La loro interazione genera una forza di Lorentz diretta verso l’interno, il cosiddetto Z-pinch, che comprime radialmente il metallo e trasforma questa compressione in un impulso di pressione capace di espellere una goccia attraverso un piccolo orifizio.
Il punto di partenza è il Liquid Metal Jetting
La stampa 3D metallica mediante jetting utilizza un principio concettualmente simile alla stampa inkjet: invece di fondere selettivamente un letto di polvere con un laser, il sistema produce piccole gocce di materiale liquido e le deposita nelle posizioni definite dal modello digitale. Una volta raggiunto il substrato o lo strato precedente, le gocce solidificano e costruiscono progressivamente il componente. La differenza fondamentale rispetto alla normale stampa a getto d’inchiostro è naturalmente la temperatura. Un metallo può richiedere centinaia o oltre mille gradi per rimanere allo stato liquido e presenta viscosità, tensione superficiale, conducibilità e comportamento chimico molto differenti rispetto a un inchiostro. Generare gocce piccole, regolari e ripetibili rappresenta quindi una delle principali difficoltà tecnologiche del processo.
Nel Liquid Metal Jetting esistono diverse possibilità per creare l’impulso necessario all’espulsione. Si può applicare pressione pneumatica sul serbatoio, utilizzare sistemi meccanici simili a pistoni oppure sfruttare le proprietà elettriche e magnetiche dei metalli liquidi. LLNL sta lavorando su più soluzioni contemporaneamente e possiede anche brevetti dedicati a sistemi pneumatici con forme d’onda di pressione e depressione controllate. Il brevetto Z-pinch affronta però il problema da un’altra direzione: creare la pressione direttamente dentro il materiale senza utilizzare un attuatore meccanico che debba operare continuamente a contatto con il metallo caldo.
Lo Z-pinch arriva dalla magnetoidrodinamica
Il termine Z-pinch è normalmente associato alla fisica dei plasmi. Quando una corrente intensa attraversa un conduttore disposto lungo un asse, il campo magnetico generato dalla stessa corrente circonda il conduttore. L’interazione tra campo magnetico e corrente produce una forza di Lorentz radiale che tende a comprimere il materiale verso il centro.
Nel sistema LLNL il conduttore non è un filo solido né un plasma, ma una piccola colonna di metallo liquido contenuta all’interno della camera di pressione della testina. Due elettrodi sono collocati alle estremità della colonna. Quando l’elettronica applica un breve impulso di corrente, questa attraversa longitudinalmente il metallo. Per la legge di Ampère viene generato un campo magnetico circolare intorno al percorso della corrente. Campo e corrente interagiscono generando una pressione magnetoidrodinamica verso l’asse centrale.
Il metallo liquido, nelle condizioni considerate, può essere trattato come un fluido praticamente incomprimibile. La forza esercitata radialmente viene quindi convertita in una pressione che agisce anche nella direzione longitudinale della camera. Se all’estremità della camera è presente un orifizio sufficientemente piccolo, una parte del materiale viene espulsa e forma una goccia.
In termini semplificati, il metallo svolge contemporaneamente tre funzioni: è il materiale che verrà depositato, è il conduttore elettrico attraverso il quale passa l’impulso ed è il fluido sul quale agisce il campo magnetico generato dallo stesso impulso.
Niente grande magnete permanente e niente bobina vicino alla zona calda
Questo è il principale elemento di differenziazione della proposta LLNL rispetto ad altre architetture magnetoidrodinamiche. Nei sistemi convenzionali può essere utilizzato un campo magnetico generato da magneti permanenti o da una bobina esterna. Una corrente attraversa il metallo e l’interazione tra corrente e campo produce la forza che lo espelle.
Un esempio industriale è la tecnologia ElemX oggi commercializzata da ADDiTEC. Il sistema, originariamente sviluppato da Vader Systems e successivamente acquisito da Xerox, utilizza una bobina esterna per produrre un campo magnetico pulsato che genera la forza di Lorentz nel metallo liquido. Xerox ha venduto Elem Additive Solutions ad ADDiTEC nel 2023 e la tecnologia è ancora disponibile come sistema Liquid Metal Jetting, principalmente per leghe di alluminio.
LLNL propone invece di eliminare l’attuatore magnetico esterno: il campo necessario viene prodotto dalla corrente che attraversa direttamente il metallo. Secondo il laboratorio questo può consentire di ridurre le dimensioni della testina, perché non è necessario collocare un grande magnete o una bobina intorno alla zona di espulsione.
La miniaturizzazione potrebbe diventare particolarmente importante se in futuro si volessero realizzare testine con numerosi ugelli indipendenti. Una singola testina piccola è interessante; una matrice di decine o centinaia di microgeneratori di gocce controllabili individualmente potrebbe modificare in maniera molto più significativa la produttività della tecnologia.
Impulsi fino a 2.000 ampere, ma soltanto per pochi millisecondi
Le correnti previste dal brevetto sono elevate. Le rivendicazioni comprendono impulsi indicativamente tra 50 e 2.000 A con durate comprese tra 0,1 e 10 millisecondi. Un esempio descritto utilizza un impulso nell’ordine dei 100 A per circa mezzo millisecondo.
Numeri di questo tipo possono sembrare incompatibili con una testina compatta, ma è necessario considerare la durata estremamente breve dell’impulso. Non si tratta di mantenere continuamente 2.000 A attraverso il sistema. L’energia viene fornita per una frazione di secondo per generare la pressione necessaria alla singola espulsione.
Il brevetto indica che correnti di alcune centinaia di ampere possono produrre pressioni interne nell’ordine delle decine di kilopascal. Il valore effettivo dipende naturalmente dalla geometria della camera, dalla conducibilità del metallo, dalla corrente e dalle dimensioni del sistema.
L’elettronica di potenza rimane comunque uno degli aspetti tecnicamente delicati. Gli elettrodi devono sopportare migliaia o milioni di cicli, rimanere elettricamente efficienti e contemporaneamente resistere al contatto con metallo fuso, temperature elevate, corrosione e variazioni termiche.
Ugelli e camere nell’ordine dei millimetri
La miniaturizzazione appare chiaramente anche nelle dimensioni indicate nella domanda di brevetto. Il canale che contiene il metallo può avere una larghezza compresa indicativamente tra 0,1 e 3 mm, mentre l’apertura dell’orifizio può essere compresa tra circa 0,05 e 3 mm.
La dimensione della goccia è strettamente collegata a quella dell’ugello e alle condizioni dell’impulso. Nelle configurazioni discusse vengono considerate gocce nell’ordine di alcune decine di micrometri fino a circa un millimetro.
Una goccia da 50 µm appartiene a un regime produttivo molto diverso rispetto a una goccia da 1 mm. Riducendo il diametro è possibile aumentare la risoluzione geometrica ma diminuisce drasticamente il volume di materiale depositato con ogni impulso. Una macchina realmente competitiva dovrebbe quindi trovare un compromesso tra risoluzione e produttività oppure utilizzare numerosi ugelli in parallelo.
È un problema molto simile a quello incontrato in altri processi digitali: una testina estremamente precisa ma capace di depositare quantità minime di materiale può risultare eccellente per elettronica e microcomponenti ma poco interessante per produrre parti metalliche di diversi chilogrammi.
Il brevetto ipotizza frequenze nell’ordine delle centinaia di gocce al secondo
L’impulso elettrico produce anche riscaldamento Joule, perché il metallo oppone una resistenza al passaggio della corrente. Secondo l’analisi proposta nella documentazione, l’aumento di temperatura associato al singolo impulso dovrebbe essere relativamente contenuto e dissiparsi nell’arco di pochi millisecondi.
Questo porterebbe, almeno teoricamente, alla possibilità di lavorare con frequenze di espulsione nell’ordine delle centinaia di hertz. A 100 Hz un ugello produrrebbe cento gocce al secondo; a 500 Hz ne produrrebbe cinquecento.
Si tratta però di obiettivi progettuali indicati nel brevetto, non di risultati di produzione industriale pubblicati da LLNL. Il laboratorio classifica infatti la tecnologia al Technology Readiness Level 3, cioè alla fase di dimostrazione analitica e sperimentale delle funzioni critiche e di proof of concept.
Non esiste quindi ancora, sulla base delle informazioni rese pubbliche, una stampante commerciale LLNL Z-pinch capace di costruire componenti industriali a centinaia di gocce al secondo.
Il TRL 3 è una distinzione importante
I brevetti possono facilmente dare l’impressione che una macchina sia più vicina al mercato di quanto sia realmente. In questo caso LLNL è piuttosto chiaro: la tecnologia è ancora a TRL 3.
Questo significa che il principio fisico è considerato credibile e sono state sviluppate attività sperimentali sufficienti a giustificare il deposito della proprietà intellettuale, ma rimangono molti passaggi prima di arrivare a una piattaforma industriale.
Dovranno essere dimostrati affidabilità dell’espulsione, uniformità dimensionale delle gocce, durata degli elettrodi, stabilità dell’orifizio, comportamento con leghe differenti, controllo dell’ossidazione, gestione termica e capacità di mantenere le prestazioni per milioni di cicli.
La deposizione rappresenta inoltre soltanto metà del problema. Una volta generata la goccia bisogna controllarne traiettoria, impatto, bagnabilità, solidificazione e fusione con il materiale precedentemente depositato. Anche una testina perfetta può produrre un componente mediocre se le gocce non formano una struttura metallurgica sufficientemente densa e uniforme.
Un piccolo sistema passivo impedisce al metallo di tornare verso il serbatoio
Un elemento meno appariscente ma tecnicamente interessante riguarda il riempimento della camera. Dopo ogni espulsione, il metallo deve tornare dal serbatoio alla camera di pressione per preparare il ciclo successivo.
Il problema è che l’impulso Z-pinch potrebbe spingere il materiale non soltanto verso l’ugello ma anche all’indietro, verso il serbatoio. LLNL propone quindi diverse geometrie di valvola passiva integrate nei canali di alimentazione.
Una delle configurazioni utilizza pareti sagomate e un elemento centrale che creano un percorso tortuoso. Nel flusso corretto il metallo può passare dal serbatoio alla camera; quando la pressione tenta di invertirne la direzione, curvature, canali e zone cieche rendono il riflusso più difficile e riconducono una parte del materiale nella direzione desiderata.
Il vantaggio è evitare una normale valvola meccanica mobile immersa nel metallo fuso. Componenti mobili microscopici sottoposti a temperature elevate potrebbero rappresentare un grave problema di affidabilità.
Il serbatoio può essere aiutato anche da pressione del gas
La configurazione base prevede che il metallo liquido raggiunga la camera dal serbatoio anche per effetto della gravità, ma la domanda di brevetto contempla diverse varianti. È possibile utilizzare pressione di gas per favorire il riempimento, oltre a riscaldatori esterni o integrati nelle pareti della camera.
La struttura può prevedere materiali elettricamente isolanti intorno alla zona attraversata dalla corrente e guarnizioni compatibili con le alte temperature, comprese configurazioni con rame.
Questi dettagli mostrano perché passare dallo schema fisico a una testina industriale non sia banale. Il sistema deve contemporaneamente essere isolante dove serve, altamente conduttivo lungo il percorso elettrico, ermetico, resistente alla corrosione e capace di mantenere tolleranze dell’ordine di frazioni di millimetro mentre lavora ad alta temperatura.
La tecnologia può evitare completamente le polveri metalliche
Uno dei vantaggi generali del Liquid Metal Jetting riguarda il feedstock. Un processo LPBF tradizionale utilizza polveri metalliche fini distribuite sul piano e fuse selettivamente con uno o più laser. Le polveri richiedono procedure specifiche di movimentazione, riciclo, filtrazione e sicurezza.
Un sistema di metal jetting può invece partire da materiale metallico massivo che viene fuso all’interno della testina. Le implementazioni industriali esistenti possono utilizzare filo; altri sistemi potrebbero impiegare pellet, lingotti o materiale caricato direttamente nel serbatoio.
Questo non significa che il Liquid Metal Jetting sia intrinsecamente migliore del Powder Bed Fusion. LPBF offre oggi una maturità, una gamma di leghe, una densità e una precisione già dimostrate su applicazioni aerospace, medicali e industriali. Il jetting rappresenta un percorso differente che potrebbe risultare competitivo dove eliminare polveri, laser, debinding e sinterizzazione offre un vantaggio sufficiente.
ADDiTEC ElemX mostra che il principio del metal droplet printing può già diventare una macchina
Il confronto più immediato è con ElemX, tecnologia oggi appartenente ad ADDiTEC. La macchina alimenta filo di alluminio commerciale in un crogiolo ceramico, lo fonde e genera gocce attraverso un impulso magnetoidrodinamico prodotto da una bobina esterna.
ADDiTEC indica oggi tra i materiali disponibili alluminio 4008 e 6061. Il processo non richiede rimozione di polvere, debinding o sinterizzazione.
La tecnologia ha una storia industriale significativa: nacque da Vader Systems, fu acquisita da Xerox e venne sviluppata come Elem Additive prima della vendita della divisione ad ADDiTEC nel 2023. Un sistema ElemX è stato anche installato su una nave della U.S. Navy nell’ambito delle sperimentazioni dedicate alla produzione distribuita dei ricambi.
Il brevetto LLNL non elimina quindi il concetto magnetoidrodinamico dal metal jetting: cerca piuttosto di semplificarne l’attuatore.
La differenza con ElemX è soprattutto nel modo in cui nasce il campo magnetico
In ElemX una bobina produce un campo magnetico esterno. Il campo interagisce con le correnti indotte nel metallo generando la forza che espelle la goccia.
Nel sistema LLNL l’elevata corrente viene fatta passare direttamente nella colonna di metallo. La stessa corrente crea il proprio campo magnetico e le due grandezze interagiscono producendo il pinch.
La conseguenza potenziale è una testina più compatta, perché non devono essere integrate grandi strutture magnetiche vicino al crogiolo. L’altra faccia della medaglia è che gli elettrodi e l’elettronica devono gestire direttamente correnti impulsive molto elevate.
Non è quindi ancora possibile affermare quale approccio risulterà migliore industrialmente. Sono compromessi differenti tra complessità magnetica, elettrica, termica e meccanica.
LLNL sta sviluppando una famiglia di tecnologie per il metal droplet printing
Z-pinch non è un progetto isolato. Lawrence Livermore National Laboratory dispone di numerose attività brevettuali dedicate alla produzione additiva mediante gocce metalliche.
Una domanda pubblicata nel 2025 riguarda testine pneumatiche nelle quali forme d’onda di pressione e vuoto vengono controllate per migliorare le caratteristiche delle gocce. Un’altra tecnologia utilizza un ugello multicomponente e il controllo del menisco per aumentare le prestazioni dell’espulsione. LLNL ha inoltre sviluppato sistemi multi-mode nei quali la deposizione a gocce viene combinata con una modalità a pressione costante per aumentare la velocità di riempimento.
L’idea è interessante: utilizzare gocce relativamente precise per costruire il contorno del componente e una deposizione più continua per riempirne rapidamente l’interno. È un principio analogo a quello utilizzato in altri sistemi di produzione, dove una modalità ad alta precisione definisce le superfici mentre una modalità ad alta portata costruisce il volume.
La presenza di questi brevetti suggerisce che LLNL non stia cercando una singola soluzione universale, ma stia studiando diversi elementi di una futura architettura di stampa metallica a gocce.
Una testina multi-ugello sarebbe il passaggio più interessante
La possibile miniaturizzazione derivante dallo Z-pinch diventa particolarmente significativa se il sistema viene pensato in parallelo.
Una testina con un solo orifizio deve scegliere continuamente tra dimensione della goccia e quantità di materiale depositato. Se la goccia viene ridotta per aumentare la risoluzione, il volume depositato diminuisce con il cubo del diametro.
Una matrice di ugelli potrebbe risolvere almeno in parte il problema. Centinaia di micro-ugelli potrebbero depositare contemporaneamente materiale in punti differenti dello stesso strato, replicando in metallo l’approccio delle testine inkjet industriali.
LLNL possiede peraltro attività brevettuali anche sul controllo selettivo della risoluzione mediante ugelli multipli per metal droplet additive manufacturing.
La reale scalabilità elettrica dello Z-pinch dovrà però essere dimostrata. Se ogni canale richiede impulsi di centinaia di ampere, alimentare numerosi ugelli contemporaneamente richiede un’elettronica di potenza e una gestione termica non banali.
La gamma dei materiali sarà uno dei punti decisivi
Il brevetto contempla diversi metalli conduttivi. Sono citati, tra gli altri, materiali e leghe basati su indio, gallio, stagno, piombo, bismuto, cadmio, zinco e antimonio, mentre l’architettura viene descritta in termini più generali per metalli elettricamente conduttivi.
Dal punto di vista industriale, tuttavia, il salto verso alluminio, rame e altre leghe strutturali è molto più impegnativo rispetto ai metalli a basso punto di fusione.
Aumentando la temperatura crescono i problemi relativi alla compatibilità di crogiolo, elettrodi, isolamento e guarnizioni. Alluminio e rame introducono inoltre fenomeni di ossidazione e bagnabilità che devono essere attentamente controllati.
Una testina che funziona con stagno non può quindi essere considerata automaticamente qualificata per alluminio o rame semplicemente modificando la temperatura.
La vera opportunità potrebbe essere una sorta di inkjet metallico
Se LLNL riuscisse a ridurre le dimensioni del sistema e ad aumentare il numero di canali, la tecnologia potrebbe avvicinarsi al concetto di una testina inkjet per metalli: ogni ugello produrrebbe una goccia soltanto quando richiesto dal modello digitale.
Un sistema del genere sarebbe particolarmente interessante per geometrie sottili, elettronica, piccole parti, strutture reticolari e produzione multimateriale. In prospettiva, testine indipendenti potrebbero anche gestire metalli differenti, anche se questo introdurrebbe ulteriori difficoltà metallurgiche.
Il vantaggio rispetto alle tecnologie a letto di polvere sarebbe la deposizione diretta soltanto del materiale necessario, senza dover ricoprire l’intera area di costruzione con polvere. Rispetto al Directed Energy Deposition potrebbe invece offrire una risoluzione molto maggiore.
Resta da dimostrare la capacità di ottenere densità, adesione metallurgica e produttività sufficienti per rendere il processo competitivo.
Una tecnologia interessante, ma molto lontana da una stampante commerciale
Il brevetto Z-pinch di Lawrence Livermore è quindi interessante soprattutto perché propone una differente architettura della testina, non perché rappresenti già una nuova stampante metallica pronta per il mercato.
LLNL stesso posiziona la tecnologia a TRL 3. Non sono stati pubblicati dati completi sulla produttività di una macchina, sulle proprietà meccaniche di componenti costruiti con questo metodo, sulla durata degli elettrodi o sulla stabilità della dimensione delle gocce durante produzioni prolungate.
Il valore del progetto consiste nel dimostrare che un metallo conduttivo può potenzialmente essere utilizzato come materiale di stampa e contemporaneamente come elemento attivo del meccanismo che produce la pressione necessaria alla deposizione.
Se l’approccio riuscirà a superare i problemi di durata, gestione termica e controllo del processo, potrebbe consentire testine più compatte rispetto ad alcune architetture magnetoidrodinamiche esistenti. Il passaggio successivo sarà capire se questa semplicità geometrica compenserà la complessità introdotta dalle correnti elevate e dal contatto diretto degli elettrodi con il metallo fuso.
Per il momento Z-pinch Magnetohydrodynamic Metal Jetting deve essere considerato soprattutto una piattaforma tecnologica in fase di proof of concept. Ma il lavoro di LLNL mostra chiaramente una direzione di ricerca: trasformare la stampa metallica a gocce da una curiosità tecnologica in una famiglia di processi nella quale dimensione delle gocce, frequenza, geometria dell’ugello e modalità di deposizione possano essere controllate digitalmente con una precisione sempre più vicina a quella delle tecnologie inkjet.
