EOS studia fasci laser con bordi più netti per ridurre le cricche nella stampa 3D delle superleghe metalliche e ne chiede il brevetto
Una domanda di brevetto punta a controllare non soltanto potenza e velocità del laser, ma anche la forma con cui l’energia raggiunge la polvere
Una domanda di brevetto depositata da EOS GmbH descrive un metodo per ridurre la formazione di cricche a caldo durante la produzione additiva di metalli modificando in modo molto preciso la distribuzione dell’energia all’interno dello spot laser. L’idea non consiste semplicemente nell’aumentare o diminuire la potenza del laser, ma nel controllare come l’intensità varia dal centro verso il bordo del fascio e nel creare zone nelle quali questa variazione diventa particolarmente brusca. Secondo EOS, una transizione più netta può modificare la geometria del bagno fuso, limitare la formazione di agglomerati di polvere nelle aree periferiche e influenzare la solidificazione del materiale in modo favorevole alla riduzione delle cricche.
La pubblicazione che ha riportato il tema nel settembre 2026 fa riferimento alla domanda cinese CN122622858A, pubblicata il 21 agosto 2026. Il progetto brevettuale è però più vecchio: la priorità risale al 24 gennaio 2024, data del deposito tedesco DE102024200643.2. La corrispondente domanda tedesca è stata pubblicata nel luglio 2025 e la domanda internazionale PCT, identificata come WO2025157553A1, il 31 luglio 2025. Gli inventori indicati sono Philipp Stich, Markus Birg e Johannes Romanow, mentre il titolare è EOS GmbH. Lo stato risulta ancora pendente, quindi si tratta di una tecnologia per la quale EOS sta chiedendo protezione brevettuale e non di un brevetto definitivamente concesso.
Il progetto si inserisce in una strategia più ampia di EOS sulla beam shaping technology, già applicata commercialmente nei sistemi metallici della società e nelle soluzioni AMCM. Dal 2025 EOS utilizza anche laser nLIGHT AFX, capaci di modificare il profilo energetico passando da configurazioni gaussiane relativamente concentrate a spot più grandi e distribuzioni ad anello. La nuova domanda brevettuale approfondisce soprattutto un problema specifico: utilizzare questa libertà nella forma del fascio per lavorare materiali particolarmente sensibili alla formazione di cricche.
Perché un normale fascio gaussiano può creare problemi nella Laser Powder Bed Fusion
Nella maggior parte dei sistemi tradizionali di Laser Powder Bed Fusion il fascio possiede una distribuzione approssimativamente gaussiana: l’intensità è massima vicino al centro dello spot e diminuisce gradualmente andando verso l’esterno. È una configurazione ben conosciuta, relativamente semplice da gestire e adatta a una vasta gamma di materiali.
Il problema è che una forte concentrazione dell’energia nel centro può produrre gradienti termici molto elevati. La zona centrale del bagno fuso raggiunge temperature superiori rispetto alle regioni periferiche e il materiale può solidificare molto rapidamente una volta che il laser si allontana.
Le ricerche sul beam shaping pubblicate negli ultimi anni mostrano che una diversa distribuzione dell’energia può modificare profondamente forma del melt pool, flussi del metallo liquido, evaporazione, spatter, porosità, velocità di raffreddamento e microstruttura. Profili ring, core-ring, top-hat o ellittici possono creare bagni fusi più larghi e meno profondi e, in determinate finestre di processo, ridurre alcune instabilità tipiche del fascio gaussiano.
La domanda EOS si concentra però su un aspetto ancora più specifico: la pendenza dell’intensità in prossimità del bordo dello spot.
Il requisito centrale è una variazione di almeno l’1% per micrometro
La rivendicazione principale della domanda stabilisce che, in almeno un punto dello spot, la distribuzione dell’intensità debba variare di almeno 1% per micrometro, dove la percentuale viene riferita all’intensità massima del fascio.
EOS descrive anche configurazioni nelle quali la diminuzione verso il bordo può raggiungere valori superiori: 2%, 3%, 4% per micrometro e, in alcune formulazioni, valori ancora maggiori.
Il concetto può essere rappresentato immaginando due fasci con la stessa potenza complessiva. Nel primo, l’energia diminuisce lentamente spostandosi verso l’esterno. Nel secondo rimane relativamente elevata su una zona ampia e poi cade molto rapidamente vicino al bordo.
È quest’ultimo comportamento che EOS considera interessante per le leghe sensibili alle cricche.
La domanda prevede spot relativamente grandi rispetto alle configurazioni più convenzionali. Viene descritta la possibilità di concentrare almeno il 90%, preferibilmente il 95% o il 99% della potenza all’interno di una regione con diametro compreso indicativamente fra poche decine e alcune centinaia di micrometri, arrivando fino a circa 470 µm nelle configurazioni contemplate.
Non significa che EOS intenda sempre utilizzare uno spot da 470 µm. Il brevetto cerca di coprire un intervallo molto ampio di possibili configurazioni, adattabili a materiali, potenze e strategie di scansione differenti.
Un bordo troppo graduale può lasciare particelle parzialmente sinterizzate
La spiegazione proposta dagli inventori riguarda anche ciò che accade immediatamente all’esterno del bagno fuso.
Con uno spot molto largo ma dotato di un bordo energetico troppo graduale, alcune particelle possono ricevere abbastanza energia da scaldarsi e aderire fra loro ma non abbastanza da entrare completamente nel bagno fuso. Si possono quindi formare agglomerati o zone di polvere parzialmente sinterizzate ai margini della traccia.
Secondo la domanda di brevetto, queste regioni possono introdurre instabilità nelle successive scansioni e contribuire indirettamente alla formazione di cricche.
Un profilo con decadimento più brusco cerca invece di creare una separazione maggiormente definita: all’interno della zona interessata il materiale riceve energia sufficiente per partecipare al processo di fusione, mentre appena all’esterno l’intensità diminuisce abbastanza rapidamente da ridurre la formazione di queste zone intermedie.
EOS collega inoltre l’approccio a una condizione di fusione prevalentemente in conduction mode, evitando quindi di basarsi principalmente su bagni profondi dominati da keyhole e forti fenomeni di evaporazione.
La forma del fascio non deve essere necessariamente circolare
La documentazione brevettuale mostra diversi profili.
Viene considerato il classico Gaussian, ma anche una distribuzione donut o ring, nella quale la parte centrale riceve meno energia rispetto a un anello circostante, e una configurazione top-hat, nella quale l’intensità rimane relativamente uniforme su gran parte dello spot per diminuire soltanto vicino al bordo.
La soluzione più particolare è però una distribuzione denominata ramp, fortemente asimmetrica.
In questo caso lo spot può essere più lungo nella direzione di avanzamento e più stretto nella direzione trasversale. Un esempio riportato nella domanda utilizza una regione di circa 300 µm × 80 µm.
Questa geometria permette teoricamente di controllare in modo differente l’energia nella direzione in cui il laser sta avanzando rispetto a quella nella quale si trovano le tracce adiacenti.
È una differenza importante rispetto al concetto tradizionale di spot perfettamente circolare, nel quale la distribuzione energetica non cambia ruotando il fascio.
Anche l’hatch spacing entra direttamente nel controllo della microstruttura
Il beam shaping da solo non basta. La domanda EOS lega strettamente il profilo del fascio alla distanza fra le linee di scansione, alla velocità e all’orientamento degli hatch.
La distanza fra due traiettorie parallele viene indicata generalmente come inferiore al 50% della larghezza del fascio, con configurazioni preferite pari o inferiori al 35% e valori minimi nell’ordine del 15%.
Questo produce una sovrapposizione significativa fra tracce consecutive.
La scansione viene effettuata con velocità uguali o superiori a 1 m/s, mentre alcune configurazioni sperimentali utilizzano valori molto più elevati.
La direzione dell’hatch viene inoltre ruotata di circa 90° fra uno strato e quello successivo.
L’obiettivo non è soltanto ottenere densità elevata. EOS cerca di controllare anche il modo nel quale i cristalli crescono durante la solidificazione.
Meno bordi di grano ad alto angolo possono significare meno cricche
La domanda collega la riduzione delle cricche alla formazione di grani più grandi e maggiormente orientati lungo la direzione di costruzione.
EOS definisce come high-angle grain boundary un confine fra due regioni cristalline la cui orientazione differisce di almeno 15°. Il processo viene configurato in modo da cercare di portare la percentuale di questi bordi sotto il 75%, preferibilmente sotto il 66%, quindi sotto il 50% e, nelle condizioni considerate più favorevoli, sotto il 33%.
Gli inventori associano una minore quantità di high-angle grain boundaries a una minore tendenza alla formazione di cricche a caldo.
L’obiettivo è inoltre ottenere grani allungati la cui direzione principale rimanga entro circa 15° rispetto all’asse di costruzione.
In altre parole, il laser non viene utilizzato soltanto per fondere la polvere. Il profilo energetico, la sovrapposizione delle tracce e la sequenza degli strati vengono trattati come strumenti per guidare la cristallografia del materiale durante la crescita.
Questa possibilità è particolarmente interessante per componenti destinati alle alte temperature, dove la struttura dei grani può influenzare creep e resistenza a lungo termine.
Il riferimento principale è CM247LC, una superlega molto difficile da stampare
Le prove descritte nella domanda utilizzano soprattutto CM247LC, una superlega a base nickel appartenente alla famiglia Alloy 247.
È un materiale progettato originariamente per applicazioni ad alta temperatura e presenta un’elevata frazione della fase rinforzante gamma-prime. Questa caratteristica contribuisce alle eccellenti prestazioni meccaniche a caldo, ma rende anche la lega notoriamente difficile da lavorare con processi che prevedono fusione e solidificazione rapida.
Nella Laser Powder Bed Fusion il materiale può sviluppare microcricche durante la costruzione e successivamente cricche più importanti durante determinati trattamenti termici.
Questa difficoltà ha limitato per anni l’utilizzo additivo di Alloy 247, nonostante il forte interesse dei settori aerospace, energia e difesa.
EOS ha introdotto nel proprio portafoglio EOS NickelAlloy 247, una lega ad alta frazione gamma-prime destinata proprio ad applicazioni come componenti del percorso dei gas caldi delle turbine, nozzle guide vane, pale, ring segment, blisk e rotori di turbopompe.
La società specifica però che questo materiale richiede strategie di processo e post-processing particolarmente avanzate e viene proposto insieme al supporto applicativo Additive Minds.
Beam shaping e Alloy 247 sono quindi due parti della stessa strategia EOS
Nel novembre 2025 EOS aveva già indicato pubblicamente il beam shaping come una delle tecnologie fondamentali utilizzate per rendere lavorabile NickelAlloy 247.
La società spiegava che le strategie tradizionali contro le cricche comprendono modifiche della composizione chimica o preriscaldamento ad alta temperatura del piano di costruzione. Queste soluzioni possono essere efficaci ma introducono compromessi relativi a processabilità, stabilità, produttività o trasferibilità industriale.
Il beam shaping offre un’altra possibilità: intervenire direttamente sul modo nel quale l’energia entra nella polvere senza cambiare necessariamente la composizione della lega.
La domanda di brevetto permette quindi di osservare più in dettaglio una parte della ricerca che sta dietro a questa direzione industriale.
Le prove usano cubi da 10 millimetri
EOS descrive diversi esperimenti realizzati con cubi CM247LC da 10 × 10 × 10 mm.
Con un profilo donut viene indicato uno spot di circa 250 µm, con una diminuzione dell’intensità verso il bordo compresa fra circa 3 e 4% per micrometro. La potenza totale utilizzata nei test variava fra 350 e 500 W, mentre la velocità di scansione era compresa fra 1.000 e 2.000 mm/s.
Lo spessore layer era nell’ordine di 0,085-0,09 mm, mentre l’hatch spacing era compreso approssimativamente fra 75 e 95 µm.
Con queste condizioni EOS dichiara una build rate fino a circa 3,8 mm³/s.
La domanda non presenta però questi numeri come una ricetta universale. Sono dati ottenuti su piccoli campioni e servono principalmente a mostrare il comportamento delle differenti configurazioni.
Il profilo top-hat arriva a 4,2 mm³/s
Un secondo gruppo di prove utilizza un profilo top-hat da circa 250 µm, caratterizzato da un’intensità relativamente uniforme nella zona centrale e da un calo di circa 1,5-2% per micrometro verso la periferia.
La potenza utilizzata variava fra 350 e 433 W, con velocità comprese approssimativamente fra 1.875 e 2.167 mm/s.
Lo spessore layer veniva mantenuto fra 0,075 e 0,09 mm e la distanza fra le tracce fra 65 e 90 µm.
La build rate dichiarata raggiungeva 4,2 mm³/s, con una densità di cricche inferiore a 0,15 mm/mm² misurata tramite analisi delle immagini con ImageJ.
Il dato più interessante arriva però dalle prove di sensibilità dei parametri.
Una variazione relativamente piccola dell’hatch spacing rispetto al valore scelto come ottimale aumentava considerevolmente la densità delle cricche. Riducendo la distanza di circa il 13%, la densità saliva a 0,18 mm/mm²; aumentandola della stessa percentuale arrivava a 0,21 mm/mm².
Questo mostra quanto la forma del fascio non possa essere isolata dal resto del processo.
Il profilo ramp ha prodotto nei test la densità di cricche più bassa
La configurazione maggiormente interessante descritta nella domanda è quella ramp, caratterizzata da uno spot allungato di circa 300 µm nella direzione principale e 80 µm in quella trasversale.
EOS indica una diminuzione dell’intensità verso alcuni bordi compresa fra circa 2,5 e 3,5% per micrometro, anche se l’implementazione reale può generare massimi secondari nella distribuzione.
Nei test sui cubi CM247LC, la potenza variava fra 195 e 350 W, mentre la velocità di scansione raggiungeva 2.500-3.500 mm/s.
L’hatch spacing era compreso fra 40 e 70 µm e, come negli altri casi, l’orientamento delle traiettorie veniva ruotato di 90° fra layer consecutivi.
La build rate arrivava nuovamente fino a 4,2 mm³/s, ma la densità delle cricche dichiarata scendeva sotto 0,09 mm/mm².
È il dato che ha attirato maggiormente l’attenzione nell’analisi di Fabbaloo.
Una piccola modifica dei parametri può però triplicare le cricche
Anche il risultato del profilo ramp deve essere interpretato con prudenza.
Riducendo l’hatch spacing a circa 40,15 µm, EOS ha rilevato una densità di cricche pari a circa 0,25 mm/mm², cioè un aumento del 165% rispetto alla configurazione di riferimento utilizzata nel confronto.
Aumentando invece la distanza a 60 µm, la densità saliva a circa 0,13 mm/mm².
Il messaggio è chiaro: non esiste un profilo laser che renda automaticamente una lega difficile priva di difetti.
Beam shape, potenza, velocità, spessore layer, distanza fra le tracce, geometria dello spot e strategia di scansione formano un unico spazio di processo.
Il vantaggio del beam shaping consiste nell’aggiungere nuove variabili che possono essere ottimizzate. Contemporaneamente, però, queste variabili aumentano anche la complessità della qualificazione.
Il brevetto contempla profili modificabili anche durante la costruzione
Uno degli aspetti più interessanti è che EOS non limita la domanda a un elemento ottico fisso.
Tra le possibilità vengono descritti diffractive optical elements, beam splitter, sovrapposizione di più laser, fibre multiple con distribuzione controllabile della potenza e array di cristalli liquidi.
La documentazione cita esplicitamente anche l’approccio sviluppato da nLIGHT, nel quale differenti porzioni della potenza possono essere distribuite attraverso fibre differenti.
Con un array di cristalli liquidi, invece, il profilo potrebbe essere determinato da dati di controllo generati insieme al resto delle istruzioni di costruzione.
Questo apre una possibilità particolarmente interessante: fare in modo che la forma del fascio diventi un parametro del file di processo, esattamente come potenza, velocità o hatch spacing.
Il sistema potrebbe teoricamente scegliere profili differenti in zone differenti del componente oppure modificarli in funzione della direzione di scansione.
La domanda non dimostra che EOS stia già commercializzando una macchina capace di modificare arbitrariamente il fascio pixel per pixel durante ogni singola traccia. Descrive però chiaramente un’architettura nella quale il beam shaping può essere comandato digitalmente.
EOS dispone già di beam shaping commerciale con nLIGHT AFX
Questo scenario non parte comunque da zero.
EOS ha annunciato nel 2025 l’integrazione dei laser nLIGHT AFX nelle proprie soluzioni metalliche e in quelle di AMCM. L’architettura permette di scegliere fra sette profili del fascio.
Secondo EOS, gli spot possono variare indicativamente da circa 85 µm in configurazione gaussiana fino a circa 250 µm in modalità ring.
La società dichiara, per determinate applicazioni e materiali, incrementi della produttività fino a circa 2 volte, senza semplicemente moltiplicare il numero dei laser presenti nella macchina.
Il principio è utilizzare in modo più efficace la potenza disponibile: un fascio più grande può aumentare hatch spacing e velocità mantenendo stabile il melt pool, mentre una distribuzione maggiormente controllata può ridurre spatter e altri fenomeni indesiderati.
EOS ha citato, sulla base di proprie analisi e studi esterni, incrementi di build rate del 23% su Inconel 718 e fino al doppio nel 316L in specifiche condizioni.
La domanda sulle cricche si inserisce quindi in una tecnologia sulla quale EOS sta già investendo industrialmente.
Non serve soltanto ad andare più veloci
La prima applicazione commerciale del beam shaping può sembrare collegata principalmente alla produttività: allargando lo spot è possibile fondere una zona maggiore a ogni passaggio.
Ma le ricerche pubblicate fra il 2023 e il 2026 mostrano che l’aspetto probabilmente più importante è il controllo del campo termico.
Modificando il profilo si possono ridurre picchi di temperatura, stabilizzare il bagno fuso, modificare i flussi di Marangoni, limitare l’evaporazione, cambiare la profondità del melt pool e controllare la velocità di solidificazione.
Una review pubblicata nel 2026 su Materials & Design ha analizzato proprio l’evoluzione del beam shaping nel PBF-LB/M, evidenziando come configurazioni core-ring, ring-dominant, top-hat ed ellittiche possano ampliare la finestra di processo, ridurre spatter e keyhole porosity e rendere più uniforme la storia termica del materiale.
Un secondo studio del 2026 sul superalloy GH3230 ha collegato direttamente la geometria del fascio alla riduzione della sensibilità alle microcricche.
La ricerca sta quindi passando dall’idea di “un laser più potente” a quella di un laser la cui energia viene distribuita in maniera progettata.
CM247LC resta comunque una lega estremamente complessa
Beam shaping non elimina tutte le difficoltà associate alle superleghe gamma-prime.
Uno studio del 2025 su CM247LC ha mostrato, per esempio, che anche la larghezza delle stripe utilizzate nella strategia di scansione modifica in modo significativo cracking, tensioni residue, forma del melt pool e segregazione agli high-angle grain boundaries.
Un’altra ricerca pubblicata nel 2026 ha ottenuto una densità di cricche molto bassa, circa 0,04 mm/mm², senza preriscaldamento, semplicemente ottimizzando island size, rotazione e strategia di scansione.
Questo dimostra che il beam shaping è una delle possibili leve disponibili, non l’unica.
Composizione chimica, granulometria della polvere, temperatura del substrato, strategia di scansione, gestione termica, remelting, geometria del componente e trattamento termico continuano tutti a contribuire al risultato.
Per questo EOS stessa presenta NickelAlloy 247 come un sistema composto da materiale, processo, macchina e post-processing, non come una polvere che può essere inserita indiscriminatamente in qualsiasi LPBF.
Ridurre le microcricche durante la stampa non risolve automaticamente il post-processing
Un’altra distinzione importante riguarda il momento nel quale si formano i difetti.
EOS identifica due problemi distinti nella lavorazione di Alloy 247: microcracking durante LPBF e macrocracking durante i trattamenti termici successivi.
La domanda brevettuale descritta da Fabbaloo si concentra soprattutto sulla riduzione delle cricche a caldo associate a fusione e solidificazione durante la costruzione.
Un componente apparentemente soddisfacente allo stato as-built può però attraversare nuove trasformazioni microstrutturali durante solution treatment, aging o altri cicli termici.
Di conseguenza, anche un processo beam-shaped ottimizzato deve essere accompagnato da una strategia di trattamento termico appropriata.
È uno dei motivi per cui materiali di questa classe rimangono applicazioni altamente specialistiche, anche se il processo additivo diventa progressivamente più stabile.
L’obiettivo finale sono turbine, propulsione e componenti per temperature estreme
Il potenziale industriale è rilevante proprio perché le superleghe della famiglia 247 vengono utilizzate dove materiali più semplici non riescono a mantenere le proprie caratteristiche.
EOS indica fra le applicazioni di NickelAlloy 247 pale e palette per turbine, nozzle guide vanes, segmenti ad anello nel percorso dei gas caldi, blisk, rotori di turbopompe e componenti destinati a funzionare continuativamente ad alta temperatura.
In questi settori la produzione additiva offre vantaggi evidenti: canali interni complessi, sistemi di raffreddamento ottimizzati, riduzione del numero di componenti e geometrie difficilmente ottenibili per fusione tradizionale.
Ma proprio queste applicazioni non tollerano facilmente cricche e difetti.
Rendere stampabile una superlega ad alte prestazioni può quindi aprire applicazioni molto più interessanti rispetto al semplice utilizzo di materiali facili da processare ma con prestazioni termiche inferiori.
La microstruttura potrebbe diventare qualcosa da progettare insieme alla geometria
L’aspetto forse più significativo della domanda EOS riguarda il cambio di prospettiva.
Nella stampa 3D si pensa normalmente al file CAD come descrizione della forma del componente e ai parametri macchina come strumenti per realizzarla.
Il beam shaping dinamico introduce la possibilità di aggiungere un secondo livello: controllare come il materiale solidifica localmente mentre viene costruita quella forma.
Se il profilo laser può essere modificato digitalmente, una futura strategia potrebbe teoricamente utilizzare una configurazione in una zona massiva, un’altra vicino a una parete sottile e una terza nelle regioni nelle quali è richiesta una particolare orientazione dei grani.
In questo scenario non verrebbe progettata soltanto la geometria esterna del componente, ma anche parte della sua microstruttura.
La domanda di brevetto EOS non dimostra ancora un sistema industriale completamente adattivo capace di effettuare questo controllo automaticamente su qualsiasi componente. Indica però chiaramente una direzione di ricerca nella quale beam shape, percorso del laser e microstruttura vengono considerati insieme.
Una domanda di brevetto che conferma la centralità del laser nella prossima fase dell’AM metallico
Per anni una parte della competizione nella Laser Powder Bed Fusion si è concentrata sul numero dei laser e sulla potenza disponibile. Quattro laser venivano considerati più produttivi di uno, mentre l’aumento da 400 W a 1 kW consentiva di esplorare finestre di processo differenti.
La strategia di EOS suggerisce ora un’altra evoluzione: non soltanto quanti watt arrivano sul letto di polvere, ma dove arrivano all’interno di ogni singolo spot.
Il brevetto relativo alla riduzione delle cricche rappresenta una versione particolarmente sofisticata di questo approccio. EOS cerca di utilizzare una caduta di intensità molto rapida ai bordi del fascio per mantenere i vantaggi di un melt pool più largo evitando una zona periferica termicamente instabile, e contemporaneamente usa hatch spacing, velocità e orientamento delle tracce per favorire una microstruttura con meno high-angle grain boundaries.
I risultati sui piccoli campioni CM247LC sono promettenti, soprattutto per il profilo ramp con densità di cricche dichiarata inferiore a 0,09 mm/mm², ma mostrano anche la sensibilità del sistema: pochi micrometri di variazione nell’hatch spacing possono peggiorare considerevolmente il risultato.
Il valore della tecnologia non risiede quindi nella ricerca di una singola “forma perfetta” del fascio. Sta nella possibilità di trasformare il laser in uno strumento molto più configurabile, capace di distribuire l’energia in funzione delle caratteristiche del materiale e dell’obiettivo metallurgico.
Per EOS, che sta già portando beam shaping e Alloy 247 nella propria offerta industriale, la domanda di brevetto rappresenta un ulteriore tassello di una strategia nella quale la prossima crescita della Laser Powder Bed Fusion potrebbe dipendere meno dall’aggiunta di ulteriori laser e sempre più dalla capacità di controllare in modo intelligente quelli già presenti.
