Metalli amorfi stampati in 3D per motori elettrici più efficienti
Un gruppo di ricerca dell’Università del Saarland sta sviluppando componenti di motori elettrici in leghe metalliche amorfe, o vetri metallici, realizzati tramite stampa 3D metallica con l’obiettivo di ridurre in modo significativo le perdite di ferro e il riscaldamento interno durante il funzionamento. Queste leghe, a base di ferro e prive di elementi critici come il cobalto, promettono motori più compatti, efficienti e sostenibili per applicazioni che vanno dai piccoli elettrodomestici ai veicoli leggeri come e‑bike, scooter elettrici e droni.
Che cos’è il vetro metallico e perché interessa ai motori elettrici
I vetri metallici sono leghe metalliche solide con una struttura atomica amorfa, cioè priva del reticolo cristallino tipico dei metalli convenzionali: per questo vengono chiamati “vetri”, anche se non sono fragili come il vetro comune, ma risultano in genere più duri e più resistenti dell’acciaio. La microstruttura amorfa comporta che i cosiddetti domini magnetici (i “domini di Weiss”) possano reindirizzarsi più facilmente quando il campo magnetico cambia direzione, riducendo l’attrito interno dovuto all’isteresi magnetica che, nei lamierini ferromagnetici tradizionali, porta a perdite di energia sotto forma di calore. Per i motori elettrici, soprattutto per statori e rotori soggetti a continue inversioni di magnetizzazione, questo significa la possibilità di diminuire le perdite di ferro e migliorare il rendimento globale del sistema elettromeccanico.
Il lavoro dell’Università del Saarland e il progetto AM2SoftMag
Il team guidato dal professor Ralf Busch, esperto di materiali metallici presso l’Universität des Saarlandes, ha sviluppato leghe amorfe ferro‑ricche, con un contenuto di ferro compreso tra circa il 70 e l’80%, specificamente pensate per applicazioni in motori elettrici e compatibili con processi di manifattura additiva. Busch è considerato un pioniere nel campo dei vetri metallici: materiali usciti dal suo gruppo vengono testati anche in condizioni estreme, ad esempio in microgravità sulla Stazione Spaziale Internazionale, per studiarne il comportamento e l’eventuale formazione indesiderata di cristalli.
La ricerca fa parte del progetto europeo AM2SoftMag (“Additive Manufacturing of Soft Magnetic Materials”), finanziato con circa 3,5 milioni di euro dal programma Horizon Europe PathFinder Open dell’European Innovation Council. Oltre all’Università del Saarland, al progetto partecipano partner industriali e accademici in diversi Paesi europei, tra cui l’azienda tedesca Heraeus AMLOY, specializzata in vetri metallici, che si occupa della produzione additiva delle componenti magnetiche. Il professor Matthias Nienhaus, esperto di azionamenti elettrici presso la stessa università, coordina gli aspetti di integrazione delle nuove leghe nei motori e di scalabilità industriale del processo produttivo.
Stampa 3D metallica di leghe amorfe: processo e sfide
Uno degli obiettivi chiave del progetto è dimostrare che leghe amorfe ferro‑ricche possano essere prodotte con tecniche di stampa 3D metallica mantenendo una struttura completamente vetrosa, senza cristalliti che comprometterebbero le proprietà magnetiche. Il gruppo di Busch ha individuato tre composizioni di lega che si dimostrano sufficientemente stabili contro la cristallizzazione e, allo stesso tempo, idonee alla realizzazione di componenti per motori mediante additive manufacturing.
Il processo utilizzato è la fusione laser su letto di polvere (Laser Powder Bed Fusion, L‑PBF), in cui un letto di polvere metallica viene localmente fuso da un laser e consolidato strato su strato. Per ottenere una struttura amorfa continua, è essenziale un raffreddamento estremamente rapido dopo ogni passaggio del laser, in modo da “congelare” gli atomi nella configurazione disordinata prima che possano organizzarsi in un reticolo cristallino. Nel caso delle leghe sviluppate al Saarland, lo spessore tipico degli strati è dell’ordine di 50 micrometri, e la combinazione tra parametri di processo e composizione della lega consente di ottenere parti massicce completamente amorfe, in cui non si osservano inclusioni cristalline significative.
Questa capacità di stampare in 3D vetri metallici non è del tutto nuova nella letteratura scientifica: negli ultimi anni altri gruppi hanno dimostrato la possibilità di produrre oggetti in vetro metallico sfuso (Bulk Metallic Glass, BMG) tramite tecniche di stampa 3D basate su estrusione o su processi simil‑termoplastici, sfruttando la finestra di viscosità controllata dei BMG riscaldati. In quei casi, spesso si utilizzano leghe basate su zirconio, titanio, rame, nichel o altri elementi, mentre l’interesse del progetto AM2SoftMag è concentrato su leghe ferro‑ricche e su processi di fusione su letto di polvere compatibili con l’industria dei motori elettrici.
Benefici potenziali su efficienza e progettazione dei motori
Nei motori disponibili sul mercato, statore e rotore sono normalmente realizzati in lamierini di leghe ferromagnetiche cristalline, già ottimizzate ma comunque soggette a perdite per isteresi e correnti parassite quando il campo magnetico cambia direzione durante il funzionamento. Inserire componenti in vetro metallico amorfo in questi motori significa ridurre la resistenza interna alla rimagnetizzazione: i domini magnetici non devono più superare barriere cristalline, con una conseguente diminuzione delle perdite di ferro e della generazione di calore.
Per applicazioni come e‑bike, scooter elettrici e droni, una riduzione delle perdite si traduce direttamente in una maggiore autonomia a parità di capacità della batteria o, alternativamente, nella possibilità di usare motori più compatti a parità di prestazioni. I ricercatori sottolineano anche che le leghe amorfe sviluppate non richiedono l’uso di elementi critici come il cobalto, con potenziali vantaggi in termini di sostenibilità e sicurezza della catena di approvvigionamento rispetto ad alcuni materiali magnetici avanzati di tipo convenzionale. Inoltre, la combinazione tra vetri metallici e stampa 3D apre la strada a architetture di motore complesse, difficili o impossibili da ottenere con la classica laminazione e impilaggio di lamierini, ad esempio con percorsi del flusso magnetico ottimizzati e integrazione di canali di raffreddamento interni.
Sfide verso l’adozione industriale
Nonostante i risultati promettenti, il passaggio dalla fase di laboratorio a quella industriale richiede ancora diversi passi, come sottolinea il professor Matthias Nienhaus. Prima di tutto è necessario stabilizzare il processo L‑PBF in modo da ottenere componenti amorfi in modo ripetibile, su volumi sempre più grandi e con parametri di produzione compatibili con i tempi e i costi dell’industria dei motori.
Un altro aspetto critico riguarda l’ottimizzazione della composizione delle leghe: è indispensabile bilanciare la formabilità vetrosa, le proprietà magnetiche, la resistenza meccanica e la lavorabilità nel processo di stampa 3D, evitando la cristallizzazione durante la fabbricazione e eventuali trattamenti termici successivi. Anche l’integrazione con la catena di produzione esistente dei motori (ad esempio la combinazione di parti amorfe stampate in 3D con componenti convenzionali) richiede nuove soluzioni di design e assemblaggio. Infine, sarà necessario validare nel lungo periodo la stabilità delle proprietà magnetiche e meccaniche delle leghe amorfe in condizioni reali d’uso, incluse temperature elevate, cicli termici e sollecitazioni vibrazionali tipiche dei motori elettrici.
Contesto di ricerca sui vetri metallici e prospettive applicative
La ricerca del Saarland si inserisce in un filone più ampio che esplora i vetri metallici non solo per motori elettrici, ma anche per applicazioni in campo medico, aerospaziale e spaziale, dove si combinano elevata resistenza, buon comportamento alla corrosione e possibilità di geometrie complesse. Studi precedenti hanno dimostrato, ad esempio, che i vetri metallici basati su zirconio e titanio possono essere estrusi in condizioni simili alla stampa 3D dei polimeri, offrendo un’interessante via per creare componenti ad alte prestazioni con processi relativamente semplici.
Nel caso dei motori elettrici, le leghe ferro‑ricche sviluppate dall’Università del Saarland e dai partner industriali come Heraeus AMLOY potrebbero essere implementate inizialmente in motori di piccola e media potenza, dove la possibilità di fabbricare rapidamente geometrie personalizzate tramite stampa 3D rappresenta un vantaggio competitivo. Se le sfide di scalabilità saranno superate, le stesse tecnologie potrebbero gradualmente estendersi a motori più grandi, fino a impatti su settori quali l’industria, la mobilità elettrica urbana e le applicazioni stazionarie che richiedono alta efficienza e densità di potenza.
