Comprendere cosa accade a una singola particella quando entra in contatto con un bagno di materiale fuso può sembrare un problema estremamente specifico, ma è uno degli elementi alla base della qualità dei processi di additive manufacturing metallico alimentati a polvere. La U.S. National Science Foundation (NSF) e l’International Space Station National Laboratory hanno selezionato un progetto della Washington University in St. Louis che utilizzerà la microgravità della Stazione Spaziale Internazionale per isolare alcuni dei fenomeni fisici che determinano la fusione e la dispersione di piccole particelle all’interno di un liquido. Il progetto, guidato dalla professoressa Patricia B. Weisensee, Associate Professor di Mechanical Engineering & Materials Science alla McKelvey School of Engineering, porta un titolo particolarmente esplicativo: “ISS: Beyond Buoyancy: The Role of Non-Gravitational Transport Phenomena on the Melting Dynamics of Small Particles”.
La ricerca è stata annunciata il 24 settembre 2026 dall’ISS National Lab ed è finanziata dalla NSF. I dati pubblici relativi all’award 2620199 indicano un finanziamento di circa 832.000 dollari, con avvio nell’agosto 2026 e conclusione prevista nel luglio 2030. Non si tratta però di un esperimento nel quale verranno semplicemente riprodotti nello spazio i normali processi industriali di stampa 3D metallica. L’obiettivo è più fondamentale: eliminare quasi completamente l’effetto della gravità per capire quali altri meccanismi governino la fusione, il trasferimento di calore e la dispersione del materiale quando le dimensioni delle particelle diventano molto piccole.
Il titolo può trarre in inganno: non sono “particelle stampate in 3D”
Una prima precisazione è necessaria. Le particelle oggetto dello studio non sono particelle metalliche prodotte mediante stampa 3D. Sono particelle che rappresentano, attraverso un sistema sperimentale controllabile, quelle utilizzate nei processi di additive manufacturing laser dei metalli. Nei sistemi industriali reali le polveri possono avere diametri dell’ordine di poche decine di micrometri e interagiscono con un bagno di fusione che può esistere soltanto per frazioni di millisecondo.
È quindi estremamente difficile osservare direttamente tutti i fenomeni che si verificano quando una particella raggiunge il melt pool, penetra nella superficie, si riscalda, fonde e infine si mescola con il materiale circostante. Nei metalli si aggiunge un’altra difficoltà fondamentale: il bagno di fusione è opaco. Tecniche avanzate come l’imaging a raggi X di sincrotrone hanno permesso di osservare alcuni fenomeni, ma si tratta di apparecchiature molto sofisticate e le scale spaziali e temporali rimangono impegnative.
Il gruppo di Weisensee lavora da anni proprio su questo problema utilizzando sistemi modello trasparenti. Invece di tentare di guardare direttamente dentro un piccolo bagno di metallo fuso, i ricercatori studiano materiali e condizioni fisiche opportunamente scelti che permettono di osservare il processo con telecamere ad alta velocità e poi collegano i risultati al sistema metallico attraverso numeri adimensionali e modelli di trasporto.
Perché una particella che non fonde correttamente può diventare un difetto
Nei processi laser che utilizzano polveri metalliche, la semplice presenza di energia sufficiente a generare una zona liquida non garantisce automaticamente una parte priva di difetti. Le particelle devono interagire correttamente con il bagno di fusione, fondere e venire incorporate prima che il materiale solidifichi.
Nel Laser Powder-Blown Directed Energy Deposition, per esempio, un flusso di polvere viene trasportato verso il pezzo attraverso uno o più ugelli mentre un laser genera localmente un bagno di fusione. Le particelle possono essere riscaldate durante il volo, raggiungere il melt pool a velocità differenti, penetrare nella superficie oppure interagire con gas e materiale liquido. Il NIST ha mostrato sperimentalmente che l’impatto delle particelle può contribuire persino alla formazione di porosità: in determinate condizioni un piccolo volume di gas può rimanere intrappolato sotto una particella che colpisce il bagno liquido.
La dinamica è diversa nel Laser Powder Bed Fusion, dove uno strato di polvere viene distribuito sul piano e il laser fonde selettivamente le particelle, ma anche qui la qualità finale dipende da un insieme di fenomeni interconnessi: assorbimento del laser, conduzione termica, fusione, evaporazione, pressione di rinculo, tensione superficiale, moto del liquido, solidificazione e interazione tra particelle.
Non è quindi corretto ridurre il problema a “il laser scioglie la polvere”. Il melt pool è un sistema fluidodinamico estremamente dinamico.
Perché portare l’esperimento sulla Stazione Spaziale Internazionale
Sulla Terra, una differenza di temperatura all’interno di un fluido genera normalmente variazioni di densità. Il fluido più caldo tende a diventare meno denso e a salire, mentre quello più freddo scende. Questo movimento produce la cosiddetta convezione naturale o buoyancy-driven convection, cioè convezione guidata dalla spinta di galleggiamento.
Nel laboratorio terrestre questo contributo può essere abbastanza intenso da sovrapporsi ad altri meccanismi di trasporto. Il ricercatore vede quindi il comportamento complessivo del fluido, ma diventa difficile stabilire quanta parte del movimento sia determinata dalla gravità e quanta derivi invece dalla diffusione, dall’inerzia o dalla tensione superficiale.
La microgravità della ISS permette di ridurre drasticamente la convezione provocata dalla spinta di galleggiamento. Non significa che il fluido smetta di muoversi. Al contrario, permette di osservare meglio quali meccanismi continuano a produrre movimento anche quando la gravità smette di essere dominante.
La NASA utilizza da decenni questa proprietà della microgravità per studiare materiali, solidificazione e fluidi. Riducendo sedimentazione e convezione gravitazionale è possibile separare fenomeni che sulla Terra avvengono contemporaneamente e ottenere dati utilizzabili per verificare i modelli numerici.
Il punto sorprendente: nello spazio verranno studiate particelle più grandi, non più piccole
Uno degli aspetti più interessanti del progetto è apparentemente controintuitivo. I ricercatori vogliono capire il comportamento di microparticelle rilevanti per applicazioni terrestri, ma sulla ISS utilizzeranno particelle dell’ordine dei millimetri.
Non si tratta di un’approssimazione casuale. La strategia sfrutta il fatto che l’importanza relativa della convezione gravitazionale può essere descritta mediante numeri adimensionali, in particolare il numero di Rayleigh.
In forma semplificata, il numero di Rayleigh può essere scritto come:
Ra = g β ΔT L³ / (ν α)
dove g rappresenta l’accelerazione gravitazionale, β il coefficiente di espansione termica, ΔT la differenza di temperatura, L una lunghezza caratteristica, ν la viscosità cinematica e α la diffusività termica.
L’aspetto fondamentale è che L compare alla terza potenza. Riducendo drasticamente la dimensione della particella diminuisce quindi molto rapidamente anche l’importanza relativa della convezione naturale. Una microparticella sulla Terra può trovarsi in un regime nel quale la gravità ha già un’influenza limitata.
Esiste però un problema pratico: osservare direttamente una particella di poche decine di micrometri mentre fonde e si disperde è molto difficile. In microgravità il termine g diventa estremamente piccolo, permettendo di utilizzare una particella molto più grande mantenendo comunque basso il numero di Rayleigh. In questo modo il fenomeno diventa più facile da visualizzare senza perdere necessariamente la similitudine fisica che interessa ai ricercatori.
| Scala sperimentale | Gravità | Obiettivo |
|---|---|---|
| Microparticella terrestre | 1 g | Condizione rilevante per processi reali |
| Particella millimetrica terrestre | 1 g | Convezione naturale più importante |
| Particella millimetrica sulla ISS | Microgravità | Ricreare regimi a basso Rayleigh facilmente osservabili |
| Modello numerico | Variabile | Collegare esperimento e applicazione reale |
La ricerca non pretende quindi che una sfera millimetrica nello spazio sia fisicamente identica a una particella metallica micrometrica investita da un laser sulla Terra. Cerca invece di riprodurre rapporti tra i diversi meccanismi di trasporto sufficientemente comparabili da costruire correlazioni e modelli trasferibili.
Diffusione: il caso limite più semplice
Se non esistessero moti convettivi, il trasferimento di calore intorno alla particella avverrebbe principalmente per conduzione o diffusione termica. La temperatura si propagherebbe dal liquido caldo verso il materiale più freddo e il fronte di fusione avanzerebbe secondo una geometria relativamente simmetrica.
Il materiale fuso prodotto dalla particella si disperderebbe allo stesso modo prevalentemente attraverso processi diffusivi. Questo rappresenta una sorta di riferimento teorico.
Il progetto vuole però verificare quanto il sistema reale si discosti da questa situazione. Anche eliminando quasi completamente la convezione gravitazionale rimangono infatti altri meccanismi capaci di rompere la simmetria e generare trasporto.
Secondo la descrizione dell’award NSF, proprio la rottura della simmetria sarà utilizzata come indicatore della presenza di contributi non puramente diffusivi.
Inerzia e geometria possono modificare la fusione
Una particella non esiste in uno spazio matematicamente infinito. Può avere forma non perfettamente sferica, trovarsi vicino a una parete, attraversare una superficie o interagire con altri confini.
Questi elementi possono alterare gli strati limite termici e fluidodinamici. Una superficie solida posta vicino alla particella interrompe la simmetria del campo di flusso e modifica il percorso attraverso il quale il calore viene trasportato. Anche la forma della particella può produrre distribuzioni di temperatura e velocità differenti.
Il progetto prevede quindi di studiare forma e presenza di confini solidi esterni per separare il contributo della pura diffusione da quello associato a effetti inerziali e geometrici.
Questo aspetto è rilevante per la stampa 3D metallica perché una particella che entra in un melt pool non si trova quasi mai in condizioni ideali. Interagisce con una superficie liquida deformata, con altre particelle, con il substrato e con gradienti termici estremamente elevati.
L’effetto Marangoni può muovere il metallo anche senza gravità
Un altro meccanismo centrale è la convezione termocapillare di Marangoni. La tensione superficiale di un liquido dipende dalla temperatura e dalla composizione chimica. Se lungo una superficie esiste un gradiente di tensione superficiale, il liquido viene trascinato dalle regioni con tensione più bassa verso quelle con tensione più elevata.
In un melt pool generato da laser le differenze di temperatura possono essere enormi. Il centro direttamente irradiato può essere molto più caldo delle regioni periferiche. Questo produce gradienti di tensione superficiale in grado di generare velocità significative nel metallo liquido.
La direzione del moto non è necessariamente sempre la stessa. Il coefficiente che lega tensione superficiale e temperatura può cambiare in funzione della composizione e della presenza di elementi tensioattivi, come ossigeno o zolfo in determinate leghe. Di conseguenza il Marangoni flow può dirigersi verso l’esterno oppure verso l’interno del melt pool, influenzandone larghezza, profondità e stabilità.
Nel progetto guidato da Weisensee il contributo termocapillare sarà studiato, tra l’altro, facendo fondere particelle vicino a un’interfaccia liquido-gas oppure imponendo un gradiente esterno di temperatura. In questo modo è possibile produrre una differenza controllata di tensione superficiale e osservare il movimento risultante senza che la convezione di galleggiamento ne domini il comportamento.
Marangoni, buoyancy e recoil pressure non sono la stessa cosa
Nel descrivere la fluidodinamica dei processi laser metallici è facile mettere sotto la stessa etichetta fenomeni fisicamente differenti.
La buoyancy convection dipende dalla gravità che agisce sulle differenze di densità del fluido.
La Marangoni convection nasce invece da gradienti di tensione superficiale.
La recoil pressure deriva dalla vaporizzazione intensa del materiale: il vapore che abbandona la superficie esercita una pressione sul liquido sottostante.
A questi effetti si aggiungono capillarità, inerzia, interazione del fascio laser, gas di processo, impatto delle particelle e solidificazione.
| Fenomeno | Origine | Dipende direttamente dalla gravità? | Possibile effetto sul melt pool |
|---|---|---|---|
| Convezione di galleggiamento | Differenze di densità | Sì | Moto del liquido |
| Diffusione termica | Gradiente di temperatura | No | Trasferimento di calore |
| Marangoni | Gradiente di tensione superficiale | No | Circolazione superficiale |
| Capillarità | Tensione superficiale e geometria | No | Forma della superficie |
| Inerzia | Movimento del fluido/particella | No | Penetrazione e dispersione |
| Recoil pressure | Evaporazione | No | Depressione e movimento del melt pool |
| Gravità/sedimentazione | Peso del materiale | Sì | Movimento di particelle e fasi |
L’esperimento sulla ISS non ricreerà necessariamente tutti questi fenomeni nelle stesse condizioni presenti in un processo laser industriale. Il suo valore scientifico deriva proprio dalla possibilità di isolarne alcuni.
Il gruppo di Weisensee studia il problema da anni con particelle di ghiaccio e materiali modello
La ricerca spaziale non parte da zero. Il Thermal Fluids Research Group della Washington University ha già sviluppato sistemi sperimentali trasparenti per studiare le interazioni tra particelle e bagni liquidi.
Nel 2020 Katherine Baskin, Katharine M. Flores e Patricia Weisensee hanno pubblicato sull’International Journal of Heat and Mass Transfer uno studio nel quale sfere di ghiaccio di circa 2 mm venivano fatte impattare contro bagni d’acqua a temperature comprese tra circa 23 e 70 °C, con velocità di impatto tra 0,8 e 2,1 m/s.
Il sistema era volutamente macroscopico e trasparente. Le particelle venivano colorate in modo che una telecamera ad alta velocità potesse seguire non soltanto la fusione, ma anche la dispersione dell’acqua generata dalla particella all’interno del bagno.
Gli esperimenti hanno mostrato la formazione di un plume anulare di liquido proveniente dalla particella e hanno consentito di correlare tempi di fusione e parametri termici. L’aumento della temperatura del bagno riduceva, come prevedibile, il tempo totale di fusione, mentre la velocità d’impatto mostrava un effetto più limitato sul tempo complessivo.
Il lavoro ha inoltre evidenziato esattamente il problema che il nuovo esperimento spaziale vuole eliminare: sulla Terra le particelle di ghiaccio non completamente fuse risalgono per effetto della spinta di galleggiamento, mentre nel bagno si sviluppano correnti convettive.
Il gruppo ha successivamente lavorato anche con particelle di paraffina, comprese particelle dell’ordine dei 100 µm, per costruire sistemi modello sempre più vicini ai rapporti di scala dei processi di manifattura additiva.
Perché non utilizzare direttamente metallo fuso sulla ISS
L’utilizzo di materiali modello non rappresenta necessariamente un limite scientifico. Riprodurre un vero melt pool laser metallico richiederebbe temperature nell’ordine di migliaia di kelvin, laser ad alta potenza, gestione di particelle metalliche fini e sistemi di contenimento molto più complessi.
Soprattutto, il metallo liquido è opaco alla luce visibile. Uno dei principali vantaggi dell’esperimento verrebbe quindi perso.
Un sistema trasparente permette invece di osservare direttamente il fronte di fusione e il plume del materiale fuso, misurandone posizione e velocità con imaging ad alta velocità. Successivamente i risultati possono essere reinterpretati attraverso grandezze adimensionali.
È una metodologia comune nella fluidodinamica sperimentale: il materiale modello non deve necessariamente essere chimicamente identico al materiale reale, ma devono essere opportunamente riprodotti i rapporti tra le forze e i fenomeni fisici che si vogliono studiare.
Tre obiettivi scientifici espliciti
La descrizione del finanziamento indica tre obiettivi principali. Il primo è identificare quali fenomeni di trasporto non gravitazionali diventano rilevanti durante la fusione di piccole particelle. Il secondo è quantificare la loro influenza sul tempo di fusione e sulla dispersione del plume di materiale fuso. Il terzo consiste nello sviluppare correlazioni capaci di prevedere le velocità di fusione nei regimi caratterizzati da piccolo numero di Rayleigh.
L’obiettivo finale non è quindi ottenere semplicemente video spettacolari di particelle che fondono nello spazio. I dati devono servire a costruire e validare modelli quantitativi.
Gli esperimenti sulla ISS saranno inoltre accompagnati da test terrestri. Questo confronto è fondamentale: solo disponendo dei due ambienti è possibile determinare quali cambiamenti derivino effettivamente dalla soppressione della convezione gravitazionale e verificare quanto i risultati ottenuti in orbita possano essere trasferiti ai processi microscopici terrestri.
Dal modello fondamentale alla qualità della stampa metallica
Il collegamento con l’additive manufacturing è particolarmente evidente nella Directed Energy Deposition alimentata a polvere. Il NIST descrive questi sistemi come processi nei quali una testina deposita materiale mentre una sorgente di energia diretta, tipicamente un laser, fonde il materiale sul substrato. I sistemi sperimentali NIST utilizzano, per esempio, getti di polvere che convergono sul melt pool generato dal laser.
In queste condizioni il comportamento della singola particella non è irrilevante. Studi sperimentali con imaging a raggi X hanno dimostrato che diametro e velocità d’impatto delle particelle possono contribuire alla formazione di pori, compreso un meccanismo nel quale il gas rimane intrappolato sotto la particella al momento dell’impatto.
La mancata fusione può inoltre contribuire a eterogeneità chimiche e difetti di consolidamento. Nei sistemi multimateriale il problema diventa ancora più significativo, perché fondere una particella non significa soltanto trasformarla da solida a liquida: occorre anche disperdere sufficientemente il materiale nel bagno per ottenere la composizione richiesta.
Non è però corretto sostenere che il progetto sulla ISS eliminerà direttamente questi difetti o produrrà automaticamente nuovi parametri macchina. Si tratta di ricerca fondamentale. Prima che i risultati possano tradursi in strategie industriali serviranno modelli, validazione con metalli reali e confronto con processi specifici.
LPBF e DED non vanno confusi
L’espressione generica “metal 3D printing” comprende processi con dinamiche molto diverse. Il lavoro storico del gruppo Weisensee sulla fusione delle particelle è particolarmente vicino al problema del powder-fed DED, nel quale particelle individuali raggiungono direttamente un melt pool già formato.
Nel Laser Powder Bed Fusion le particelle sono invece distribuite in uno strato prima dell’esposizione al laser. Anche in questo caso fusione, tensione superficiale e Marangoni flow sono centrali, ma cambiano geometria, modalità di alimentazione, interazioni tra particelle e condizioni termiche.
La conoscenza ottenuta dal progetto può quindi avere implicazioni più ampie per la manifattura additiva laser, ma non si deve interpretare un modello sviluppato per la fusione di una particella come descrizione completa e universale di LPBF, DED e di qualsiasi altra tecnologia metallica.
Le ricerche NASA mostrano perché la microgravità è utile nello studio dei materiali
La nuova indagine rientra in una lunga tradizione di esperimenti di scienza dei materiali condotti in microgravità. La NASA sottolinea che la riduzione di convezione guidata dalla gravità, pressione idrostatica e sedimentazione permette di studiare in modo più isolato i processi di trasferimento di calore e massa.
Esperimenti di solidificazione eseguiti sulla ISS sono stati utilizzati anche per generare dati di riferimento con cui verificare modelli numerici. In alcuni casi materiali trasparenti vengono scelti proprio per consentire l’osservazione tridimensionale della formazione delle microstrutture, eliminando parte delle difficoltà presenti nei metalli opachi.
Il valore della microgravità non consiste quindi nel fatto che la produzione nello spazio sia necessariamente “migliore”, ma nel trasformare l’orbita in un laboratorio nel quale alcune variabili fisiche possono essere quasi spente.
Le applicazioni possono andare oltre l’additive manufacturing
Il progetto NSF indica anche applicazioni che apparentemente hanno poco in comune con una stampante metallica. Una riguarda la dissoluzione dei farmaci, un’altra il riciclo delle microplastiche.
Il collegamento è il problema fisico generale: una piccola particella immersa in una fase liquida deve fondere oppure dissolversi e il materiale prodotto deve essere trasportato nell’ambiente circostante.
Nel settore farmaceutico è importante prevedere con precisione il tempo di dissoluzione di determinate formulazioni; nel trattamento dei polimeri, fusione e dispersione possono influire sull’efficienza dei processi. Le proprietà dei materiali sono completamente diverse, ma equazioni di trasporto e numeri adimensionali permettono di individuare analogie fisiche.
È uno dei motivi per cui il finanziamento riguarda la scienza fondamentale dei fenomeni di trasporto, non esclusivamente una nuova tecnologia di stampa 3D.
Cosa sappiamo e cosa non sappiamo ancora
Al settembre 2026 il progetto è stato selezionato e finanziato, ma non esistono ancora risultati scientifici dell’esperimento sulla ISS. Di conseguenza non è possibile affermare che la ricerca abbia già dimostrato una nuova legge di fusione, migliorato la qualità delle parti metalliche o identificato una nuova strategia di processo.
| Affermazione | Stato |
|---|---|
| Il progetto NSF/ISS National Lab è stato selezionato | Verificato |
| Patricia Weisensee guida il progetto | Verificato |
| Verrà utilizzata la microgravità per ridurre la buoyancy convection | Obiettivo sperimentale dichiarato |
| Verranno studiate particelle millimetriche per rappresentare regimi microscopici a basso Rayleigh | Descritto nell’award |
| Saranno analizzati diffusione, inerzia e Marangoni flow | Obiettivo dichiarato |
| Esistono già risultati dell’esperimento orbitale | No |
| È già dimostrato un miglioramento delle stampanti metalliche | No |
| Il progetto riguarda esclusivamente LPBF | No |
| Le particelle studiate sono “stampate in 3D” | No |
| L’esperimento riproduce integralmente un melt pool industriale metallico | No |
Questa distinzione è particolarmente importante quando si parla di ricerca spaziale. La selezione di un esperimento per la ISS indica che il problema scientifico è stato considerato sufficientemente interessante da giustificare l’accesso a un’infrastruttura particolare; non equivale però al raggiungimento dei risultati previsti.
Una ricerca fondamentale dietro un problema molto concreto
La manifattura additiva metallica ha fatto enormi progressi nel controllo dei processi, ma rimane un sistema nel quale scale temporali, termiche e geometriche estreme rendono difficile osservare direttamente molti fenomeni elementari. Le simulazioni possono raggiungere livelli di dettaglio notevoli, ma per essere affidabili hanno bisogno di esperimenti con cui essere confrontate.
La ricerca guidata da Patricia Weisensee affronta il problema da una direzione insolita: invece di rendere sempre più sofisticata l’osservazione di una particella metallica microscopica sulla Terra, rende più grande e osservabile la particella e riduce la gravità per conservare il regime fisico di interesse.
Se la metodologia funzionerà come previsto, i dati ottenuti potranno aiutare a descrivere con maggiore precisione quanto tempo impiega una particella a fondere, come il materiale fuso si disperde e quando diffusione, inerzia o tensione superficiale diventano dominanti. Da qui alla definizione dei parametri di una macchina industriale rimane un percorso di modellazione e validazione significativo, ma è proprio questo tipo di ricerca fondamentale a fornire le basi fisiche su cui costruire modelli più affidabili della manifattura additiva metallica.
La Stazione Spaziale Internazionale, in questo caso, non viene utilizzata per dimostrare che sia necessario stampare metallo nello spazio. Viene utilizzata come strumento sperimentale per capire meglio un processo che avviene sulla Terra, eliminando temporaneamente una delle forze che normalmente ne nasconde la fisica.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI).
