La produzione di razzi per l’accesso allo spazio è sempre più sotto pressione in termini di costi, flessibilità e sostenibilità, in particolare per quanto riguarda la complessa e costosa tecnologia di propulsione e di controllo d’assetto. In questo contesto il Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV sta sviluppando, nell’ambito di un ampio progetto di ricerca europeo, nuovi processi di stampa 3D multimateriale per componenti critici come valvole e parti di motori destinati alla futura generazione di lanciatori Ariane.
Laser powder bed fusion multimateriale per i razzi Ariane
Il cuore dell’attività del Fraunhofer IGCV è l’utilizzo del laser powder bed fusion (LPBF) multileghe per realizzare componenti metallici con zone funzionalmente differenziate all’interno dello stesso pezzo. Nel processo, strati sottili di polveri metalliche vengono depositati e fusi selettivamente con il laser, consentendo di combinare, all’interno di un’unica geometria, acciai magnetici e non magnetici, leghe di titanio e nickel, e potenzialmente altri materiali.
Uno dei dimostratori chiave sviluppati dal team guidato da Constantin Jugert è una valvola per sistemi di controllo d’assetto, realizzata come componente multimateriale con strati alternati di acciai magnetici e non magnetici. Questa configurazione permette di integrare funzioni di attuazione e di controllo del flusso in un singolo pezzo, contribuendo a mantenere la stabilità della traiettoria del vettore durante il volo e a ridurre il numero di parti, saldature e operazioni di assemblaggio.
Valvola multimateriale: struttura, proprietà e vantaggi
La nuova valvola dimostrativa è stata concepita per sostituire sistemi convenzionali ottenuti tramite lavorazioni sottrattive e saldature multiple, tipicamente costosi e poco flessibili. Grazie al LPBF multimateriale, Fraunhofer IGCV è in grado di costruire una struttura in cui zone magnetiche e non magnetiche sono distribuite con precisione nel volume, consentendo di generare forze magnetiche localizzate per l’azionamento, mantenendo al contempo regioni meccanicamente robuste e resistenti alle sollecitazioni termiche e di pressione del sistema propulsivo.
I test di laboratorio hanno evidenziato un’elevata densità del materiale e una distribuzione controllata delle diverse leghe, parametri essenziali per garantire la tenuta, la resistenza alla fatica e l’affidabilità in ambiente criogenico o ad alta temperatura tipico dei razzi. Il confronto in corso tra il prototipo stampato in 3D e le versioni convenzionali fresate e saldate mira a quantificare i vantaggi in termini di prestazioni, efficienza, costi e tempi di produzione per la prossima generazione di motori Ariane.
Gestione delle interfacce tra leghe: il ruolo delle barriere di molibdeno
Un tema cruciale nella stampa 3D multimateriale riguarda la compatibilità metallurgica tra leghe diverse, in particolare quando si combinano materiali come titanio e superleghe a base di nickel. Giunzioni dirette tra questi materiali possono generare zone fragili e transizioni difettose, con rischio di cricche e di degrado in esercizio.
Per affrontare questo problema, i ricercatori del Fraunhofer IGCV hanno studiato, tramite simulazioni numeriche e prove sperimentali, l’inserimento di sottili strati intermedi in molibdeno come barriere di diffusione. Questa interfaccia blocca il contatto diretto tra la lega di titanio e la lega di nickel durante il processo LPBF, limitando la formazione di fasi intermetalliche fragili e permettendo di ottenere un collegamento metallurgicamente solido su scala di laboratorio.
Questi risultati gettano le basi per progettare transizioni di materiale “su misura” all’interno di componenti complessi, aprendo la strada a strutture leggere con proprietà graduali, come conduttività termica mirata o zone a diversa resistenza meccanica all’interno dello stesso motore o ugello.
Flessibilità progettuale e riduzione dei tempi di sviluppo
Secondo Constantin Jugert, una delle principali forze della produzione additiva multimateriale riguarda la flessibilità di progettazione: le geometrie delle valvole e degli elementi propulsivi possono essere adattate direttamente a livello digitale e prodotte quasi immediatamente sulla macchina LPBF. Questa capacità consente rapide iterazioni del progetto quando cambiano requisiti o vincoli di missione, riducendo sensibilmente i tempi di sviluppo rispetto ai cicli tradizionali basati su stampi, utensili e catene di fornitura complesse.
La combinazione di ottimizzazione topologica e stampa 3D permette inoltre di integrare nel pezzo singolo canali di passaggio fluidi, cavità funzionali e zone strutturalmente rinforzate, riducendo il numero di componenti e semplificando il montaggio dei sottosistemi propulsivi. In un settore come quello dei lanciatori, dove ogni chilogrammo risparmiato si traduce in più carico utile o in minori costi di missione, queste ottimizzazioni sono direttamente collegate alla competitività industriale.
Riciclo delle polveri e sostenibilità del processo
Affinché la stampa 3D multimateriale risulti sostenibile dal punto di vista economico ed ambientale, Fraunhofer IGCV affianca allo sviluppo dei processi una specifica attività di gestione e riciclo delle polveri metalliche utilizzate nel LPBF. Durante la produzione multimateriale le polveri dei diversi metalli possono mescolarsi nel letto di stampa, generando miscele difficili da riutilizzare senza ulteriori trattamenti.
Per risolvere questo problema, il team sta sviluppando sistemi di separazione magnetica in grado di riconoscere e dividere automaticamente le particelle ferromagnetiche da quelle non magnetiche dopo il processo, così da reimmettere nel ciclo produttivo la maggior parte del materiale in forma controllata. Questa strategia consente di ridurre i costi delle polveri, una delle voci più rilevanti nella produzione additiva metallica, e di contenere l’impatto ambientale complessivo, in linea con gli obiettivi europei di decarbonizzazione dell’aerospazio.
Connessioni con altri progetti Fraunhofer per l’aerospazio
Il lavoro del Fraunhofer IGCV sui razzi multimateriale si inserisce in un più ampio quadro di attività dei vari istituti Fraunhofer dedicati all’aerospazio, come il Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT, che sviluppa processi LPBF e LMD per componenti di motori a idrogeno a zero emissioni e per ugelli di razzi con canali di raffreddamento complessi. Attraverso iniziative come TRIKA ed ENLIGHTEN, Fraunhofer ILT lavora su nuove polveri in lega di alluminio e su processi LMD per ugelli destinati al programma Ariane, con l’obiettivo di ridurre costi, tempi di produzione e impatto ambientale.
Questi progetti mostrano come la stampa 3D metallica, in versione sia monomateriale sia multimateriale, stia diventando una tecnologia abilitante per una nuova generazione di motori spaziali più leggeri, efficienti e compatibili con combustibili come l’idrogeno verde o il bio-metano. L’approccio di Fraunhofer, basato sulla combinazione di design funzionalmente integrato, gestione avanzata delle polveri e valutazioni di ciclo di vita, mira a creare basi solide per una industrializzazione su larga scala di questi processi.
Prospettive per la propulsione spaziale multimateriale
Guardando alle prospettive future, la possibilità di combinare in un unico componente diverse leghe metalliche con proprietà complementari apre alla realizzazione di motori e sistemi di controllo d’assetto con distribuzione graduale di resistenza termica, conducibilità e risposta magnetica. Ciò potrebbe tradursi in camere di combustione con pareti a raffreddamento rigenerativo ottimizzato, ugelli con zone più resistenti alle alte temperature e valvole con attuatori magnetici integrati, riducendo al minimo le interfacce critiche.
Man mano che le dimostrazioni di laboratorio vengono validate da test funzionali e campagne di prova su scala reale, queste soluzioni potrebbero entrare nella produzione di serie dei lanciatori europei, contribuendo a rafforzare la competitività dell’industria spaziale nel contesto globale. L’integrazione di strumenti digitali avanzati, simulazioni multifisiche e controlli qualità in-line basati su sensori si preannuncia come un ulteriore fattore chiave per portare la stampa 3D multimateriale dallo stato di ricerca al livello industriale richiesto da programmi come Ariane.
