Un nuovo progetto dedicato alla qualificazione dei componenti aerospaziali
La NASA ha assegnato a Phase3D un nuovo contratto di ricerca per sviluppare e validare sistemi di monitoraggio in situ destinati alla produzione additiva metallica. Il programma sarà coordinato dal Marshall Space Flight Center della NASA e avrà come obiettivo la raccolta di dati misurabili durante ogni fase del processo di stampa.
Phase3D, società con sede nell’area di Chicago, lavorerà insieme a un importante gruppo industriale attivo nei settori aerospaziale e della propulsione, il cui nome non è stato reso pubblico. Il progetto prevede l’installazione delle tecnologie Fringe Inspection e Fringe Qualification su una EOS M 300-4, sistema industriale di produzione additiva metallica realizzato da EOS e dotato di quattro laser.
La combinazione tra una macchina multi-laser e un sistema di controllo tridimensionale strato per strato consentirà ai ricercatori di studiare come le anomalie osservate durante la costruzione si trasformino in difetti presenti nel componente finito.
Il programma non punta soltanto a individuare gli errori di stampa. L’obiettivo più ampio è sviluppare una metodologia che permetta di utilizzare i dati raccolti direttamente dalla macchina come parte del processo di qualificazione dei componenti destinati alle missioni spaziali.
Perché la qualificazione rallenta l’impiego della stampa 3D nello spazio
La produzione additiva permette di realizzare camere di combustione, iniettori, scambiatori di calore, condotti e altri componenti aerospaziali con geometrie difficili da ottenere tramite fusione, saldatura o lavorazione sottrattiva.
Un singolo componente stampato in 3D può sostituire diversi elementi prodotti separatamente e successivamente assemblati. La riduzione delle saldature e delle giunzioni può diminuire il numero dei possibili punti di cedimento, mentre l’integrazione di canali interni consente di migliorare il raffreddamento e la gestione dei fluidi.
Questi vantaggi non eliminano però la necessità di dimostrare che ogni componente rispetti i requisiti previsti. Nei settori spaziale, aeronautico e della difesa, una variazione nella distribuzione della polvere, nella potenza del laser o nella geometria di uno strato può influire sulla struttura interna del pezzo.
La qualificazione di un nuovo componente metallico può richiedere più di 18 mesi. Il processo comprende la produzione di campioni, prove meccaniche, analisi metallografiche, tomografie computerizzate, controlli dimensionali e verifiche distruttive.
Molte di queste attività devono essere ripetute quando cambia il materiale, la macchina, la configurazione dei laser o uno dei parametri fondamentali del processo. Il costo della qualificazione può quindi diventare uno dei principali ostacoli all’introduzione della produzione additiva in applicazioni critiche.
Il concetto di componente “born qualified”
Il programma della NASA e di Phase3D si inserisce nello sviluppo del modello definito “born qualified”, traducibile come componente qualificato fin dalla produzione.
In un processo tradizionale, la conformità viene verificata soprattutto dopo il completamento del pezzo. Il componente viene rimosso dalla macchina, trattato termicamente, separato dalla piattaforma e sottoposto a una serie di controlli.
L’approccio “born qualified” cerca invece di raccogliere durante la costruzione una quantità sufficiente di informazioni per dimostrare che il processo si è svolto entro i limiti stabiliti. La qualità non viene quindi dedotta soltanto dai controlli finali, ma viene documentata strato dopo strato.
Questo metodo richiede dati ripetibili, confrontabili e legati a unità di misura definite. Una semplice immagine della camera di processo può segnalare che qualcosa è cambiato, ma non sempre consente di stabilire con precisione l’altezza, l’estensione o la gravità dell’anomalia.
Phase3D ha sviluppato Fringe Inspection proprio per trasformare la superficie di ogni strato in una misurazione tridimensionale. I dati possono essere confrontati con la geometria prevista dal progetto e successivamente correlati ai difetti individuati attraverso tomografia, metallografia o prove meccaniche.
Come funziona Fringe Inspection
Fringe Inspection utilizza la proiezione digitale di frange, una tecnica di metrologia ottica appartenente alla famiglia dei sistemi a luce strutturata.
Il dispositivo proietta sulla superficie della polvere o del materiale consolidato una sequenza di linee luminose. Una telecamera osserva come le linee vengono deformate dalla geometria della superficie. Il software elabora queste deformazioni e ricostruisce una mappa tridimensionale dell’intera area di lavoro.
Il sistema non si limita quindi a fotografare il piano di costruzione. Misura le differenze di altezza e genera una mappa espressa in unità fisiche, con una risoluzione dell’ordine dei micrometri.
Ogni scansione può raccogliere da circa 8 milioni a oltre 21 milioni di punti, in funzione delle dimensioni della piattaforma e della configurazione utilizzata. La misurazione viene ripetuta per ciascuno strato, sia dopo la distribuzione della polvere sia dopo la fusione del materiale.
In questo modo è possibile rilevare accumuli, depressioni, rigature, particelle sporgenti e irregolarità lasciate dal sistema di ricopertura. La tecnologia può inoltre identificare deformazioni locali del componente che, entrando in contatto con la lama o con il recoater, rischiano di interrompere la costruzione.
Secondo Phase3D, il sistema può essere integrato con diverse tecnologie basate su polveri, tra cui fusione laser a letto di polvere, binder jetting, deposizione diretta di energia e cold spray.
Il ruolo del software Fringe Qualification
L’hardware Fringe Inspection raccoglie le misurazioni, mentre Fringe Qualification è la piattaforma software sviluppata da Phase3D per organizzare, analizzare e interpretare i dati generati durante la produzione.
Il software consente di impostare soglie dimensionali e criteri di accettazione. Quando una variazione supera i limiti stabiliti, il sistema identifica lo strato interessato e la posizione dell’anomalia all’interno del volume del componente.
Queste informazioni possono essere sovrapposte al modello tridimensionale del pezzo, permettendo agli ingegneri di determinare se l’anomalia si trovi in una zona critica oppure in una regione che verrà rimossa durante le lavorazioni successive.
La distinzione è importante perché non tutte le irregolarità producono lo stesso effetto. Un difetto situato su un supporto temporaneo può avere conseguenze limitate, mentre una discontinuità vicina a un canale di raffreddamento o a una parete sottile può compromettere la funzionalità del componente.
Fringe Qualification permette inoltre di confrontare i dati provenienti da diverse costruzioni. La NASA e il partner industriale potranno quindi verificare se una determinata anomalia compare con frequenza costante, se dipende da una specifica configurazione della macchina oppure se è associata a un difetto interno osservato nelle analisi successive.
L’integrazione sulla EOS M 300-4
Il progetto sarà condotto su una EOS M 300-4, macchina industriale per la fusione laser a letto di polvere progettata da EOS per la produzione di componenti metallici di medie e grandi dimensioni.
Il sistema dispone di quattro laser che lavorano contemporaneamente sulla piattaforma. Questa configurazione permette di aumentare la produttività, ma introduce ulteriori variabili rispetto alle macchine dotate di un solo laser.
Le aree di lavoro dei quattro laser devono essere calibrate e coordinate. Nelle zone di sovrapposizione possono verificarsi differenze nella distribuzione dell’energia, nella microstruttura o nella qualità della superficie. Anche piccole variazioni tra un laser e l’altro possono diventare rilevanti quando il componente è destinato a un motore o a un sistema di propulsione.
Fringe Inspection misurerà l’intera area di costruzione, consentendo di confrontare il comportamento delle zone lavorate dai diversi laser. Il progetto potrà quindi fornire informazioni sulla ripetibilità del processo multi-laser e sull’influenza delle aree di transizione.
La EOS M 300-4 è utilizzata per materiali impiegati nei settori aerospaziale, energetico e industriale. L’integrazione di un sistema di metrologia esterno permetterà alla NASA di raccogliere dati indipendenti dai sensori già presenti nella macchina.
Un programma basato sulla produzione di un ampio archivio di dati
Uno degli elementi centrali del progetto sarà la costruzione di un archivio che colleghi le misurazioni in situ alle caratteristiche effettive dei componenti prodotti.
Durante le prove verranno realizzate costruzioni contenenti campioni, geometrie di riferimento e parti rappresentative di applicazioni aerospaziali. Alcune anomalie potranno essere introdotte intenzionalmente, modificando i parametri di processo o la distribuzione della polvere.
Dopo la stampa, i componenti saranno sottoposti a controlli non distruttivi e, quando necessario, ad analisi distruttive. Le zone segnalate da Fringe Inspection saranno confrontate con i risultati della tomografia computerizzata, delle sezioni metallografiche e delle prove meccaniche.
Questo confronto dovrebbe permettere di stabilire quali segnali siano realmente associati a porosità, mancanza di fusione, inclusioni o variazioni dimensionali. L’obiettivo è evitare che il sistema generi soltanto un grande numero di segnalazioni prive di un significato industriale verificato.
La creazione di una correlazione statistica tra anomalia misurata e difetto effettivo rappresenta un passaggio necessario per utilizzare il monitoraggio in situ come strumento di qualificazione e non soltanto come supporto all’operatore.
Dall’osservazione alla misurazione oggettiva
Molti sistemi di monitoraggio della produzione additiva utilizzano telecamere, sensori del bagno di fusione, fotodiodi o dispositivi termici. Questi strumenti raccolgono immagini, intensità luminose o variazioni di temperatura.
Tali dati possono essere utili, ma spesso descrivono indirettamente il comportamento del processo. Un segnale termico anomalo, per esempio, non indica automaticamente la dimensione del difetto che potrebbe formarsi.
Phase3D ha scelto di misurare direttamente la geometria della superficie. L’azienda sostiene che un dato espresso in micrometri possa essere inserito più facilmente in una procedura di controllo, perché permette di definire soglie quantitative e di verificare la calibrazione dello strumento.
Il sistema non utilizza modelli di intelligenza artificiale o apprendimento automatico per generare le misurazioni fondamentali. La ricostruzione tridimensionale deriva da principi di metrologia ottica e da una calibrazione fisica del dispositivo.
Gli algoritmi possono essere utilizzati per classificare, confrontare e organizzare le anomalie, ma il valore dimensionale di base non dipende da una rete neurale non interpretabile. Questa impostazione può facilitare l’impiego della tecnologia nei processi di certificazione, dove è necessario dimostrare come viene ottenuto il risultato.
Il precedente accordo tra NASA e Phase3D
La nuova attività prosegue una collaborazione avviata nel 2022, quando il Marshall Space Flight Center selezionò Phase3D, allora conosciuta anche come Additive Monitoring Systems, per integrare la propria tecnologia nelle macchine di produzione additiva presenti presso il centro NASA di Huntsville, in Alabama.
Il primo programma riguardava il monitoraggio di componenti in rame ad alte prestazioni destinati alle tecnologie di propulsione liquida della NASA. Questi componenti possono includere camere di combustione e parti soggette a temperature, pressioni e flussi termici elevati.
Le leghe di rame impiegate nei motori spaziali presentano una buona conducibilità termica, ma possono risultare difficili da lavorare con sistemi laser. La riflettività del materiale e la rapida dispersione del calore richiedono un controllo accurato dei parametri di processo.
La collaborazione ha permesso a Phase3D di installare Project Fringe nelle strutture della NASA e di raccogliere informazioni direttamente su applicazioni di interesse aerospaziale.
Il nuovo progetto amplia questa attività. L’attenzione non è più limitata al monitoraggio di singoli processi, ma si estende alla costruzione di una metodologia per utilizzare i dati nella qualificazione di componenti prodotti su una macchina multi-laser.
Le applicazioni nelle tecnologie di propulsione
Il Marshall Space Flight Center svolge un ruolo centrale nello sviluppo dei sistemi di propulsione della NASA. La produzione additiva viene utilizzata per ridurre il numero dei componenti, integrare i canali di raffreddamento e accorciare i tempi necessari alla fabbricazione di motori e sistemi di alimentazione.
Le camere di combustione devono resistere a temperature elevate e a forti gradienti termici. I canali interni fanno circolare fluidi destinati a raffreddare le pareti prima che il materiale raggiunga condizioni critiche.
La stampa 3D permette di realizzare questi canali direttamente nella parete della camera, evitando parte delle operazioni di saldatura e assemblaggio. Un difetto interno, tuttavia, potrebbe ridurre lo spessore disponibile o interrompere il percorso del refrigerante.
La possibilità di localizzare le anomalie durante la costruzione permette agli ingegneri di concentrarsi sulle zone maggiormente sollecitate. I dati possono inoltre essere utilizzati per decidere se interrompere il processo, modificare i parametri oppure completare il pezzo e sottoporlo a un controllo mirato.
In prospettiva, un sistema affidabile potrebbe anche contribuire al controllo a ciclo chiuso, nel quale la macchina corregge automaticamente alcuni parametri in risposta alle variazioni misurate.
I vantaggi economici del monitoraggio in situ
La tomografia computerizzata industriale consente di osservare la struttura interna di un componente senza distruggerlo, ma può essere costosa e richiedere tempi lunghi. Le dimensioni, la densità e la geometria del pezzo possono inoltre limitare la qualità dell’ispezione.
Il monitoraggio in situ non elimina automaticamente la tomografia o le prove distruttive. Può però aiutare a ridurne il numero, selezionare le zone da analizzare e costruire una documentazione digitale relativa a ogni componente.
Per un produttore aerospaziale, la possibilità di individuare un errore durante le prime fasi della stampa può evitare di completare una costruzione destinata a essere scartata. Le lavorazioni metalliche di grandi dimensioni possono durare diversi giorni e consumare quantità rilevanti di polvere, gas inerte ed energia.
Un’anomalia del recoater rilevata nelle prime ore può quindi permettere di interrompere il processo prima che vengano impegnati altri materiali e tempo macchina. In una produzione composta da più pezzi, il sistema può anche indicare quali componenti siano stati interessati dal problema.
La documentazione strato per strato può inoltre contribuire alla tracciabilità. Ogni pezzo può essere associato ai dati della macchina, alle mappe tridimensionali e alle eventuali anomalie rilevate durante la costruzione.
La porosità come causa di scarto
Tra i problemi studiati da Phase3D vi è la relazione tra le anomalie osservate durante la stampa e la formazione di porosità all’interno del componente.
La porosità può essere causata da una fusione incompleta della polvere, da contaminazioni, da una distribuzione non uniforme del materiale o da parametri energetici non adeguati. I pori riducono la sezione resistente e possono diventare punti di innesco per cricche e rotture a fatica.
Phase3D ha già condotto attività con la NASA e con la United States Air Force per correlare le anomalie misurate durante la costruzione ai difetti individuati nei pezzi finiti.
Le prove precedenti sono state effettuate con due materiali e su due differenti piattaforme di fusione laser a letto di polvere. Secondo l’azienda, i risultati hanno mostrato che alcune irregolarità misurate su uno strato possono essere associate alla porosità rilevata successivamente.
Il nuovo programma dovrebbe ampliare la quantità e la varietà dei dati, includendo una piattaforma a quattro laser e applicazioni rappresentative della produzione aerospaziale.
Il lavoro con la United States Air Force
Phase3D ha sviluppato parte delle proprie tecnologie anche attraverso programmi finanziati dalla United States Air Force e dall’Air Force Research Laboratory.
Nel 2023 l’Air Force Research Laboratory ha assegnato alla società un contratto da 1,25 milioni di dollari per sviluppare un sistema di controllo qualità destinato ai processi cold spray.
Nel cold spray, particelle metalliche vengono accelerate ad alta velocità e depositate su una superficie senza raggiungere una fusione completa. La tecnologia può essere utilizzata per riparazioni, rivestimenti e produzione di componenti.
Fringe Inspection può misurare la forma del materiale depositato, verificando l’altezza e l’uniformità di ogni passaggio. Le informazioni possono essere utilizzate per individuare accumuli insufficienti o deviazioni geometriche.
Le attività condotte con la NASA e la United States Air Force hanno contribuito allo sviluppo di Fringe Research, piattaforma pensata per correlare le anomalie osservate durante il processo ai difetti effettivi del componente.
Il percorso industriale di Phase3D
Phase3D è stata fondata da Niall O’Dowd, che ricopre il ruolo di amministratore delegato. La società ha concentrato la propria attività sulla metrologia applicata alla produzione additiva e sull’integrazione dei propri sensori con piattaforme di diversi produttori.
L’azienda propone configurazioni per sistemi laser a letto di polvere, binder jetting, cold spray e altre tecnologie basate sulla deposizione o sulla distribuzione di polveri.
Phase3D ha inoltre sviluppato kit dedicati a specifiche macchine industriali, tra cui la M2 Series 5 commercializzata da Colibrium Additive. Colibrium Additive è il marchio con cui GE Aerospace ha riorganizzato parte delle proprie attività dedicate alla produzione additiva.
Nel giugno 2026 Phase3D ha annunciato un round di finanziamento da 2,9 milioni di dollari guidato da Quest Venture Partners. Le risorse sono destinate ad ampliare la produzione di Fringe Inspection, accelerare le installazioni presso i clienti e rafforzare lo sviluppo del software e dell’analisi dei dati.
L’obiettivo industriale è passare da sistemi adattati prevalentemente a singoli progetti a una produzione più standardizzata, con configurazioni installabili su un numero maggiore di macchine.
Una tecnologia indipendente dal produttore della macchina
Uno degli aspetti rilevanti della proposta di Phase3D è la possibilità di installare il sistema su piattaforme realizzate da aziende differenti.
I produttori di macchine dispongono spesso di propri sensori e software di monitoraggio, ma i dati possono essere raccolti con formati, risoluzioni e criteri diversi. Questo rende più difficile confrontare costruzioni eseguite su sistemi differenti.
Una piattaforma esterna basata sulla stessa tecnica di misurazione può offrire una base comune. Un’impresa che utilizza più modelli di stampanti potrebbe applicare criteri di ispezione simili senza dipendere esclusivamente dal software del singolo costruttore.
Il progetto condotto con la NASA sulla EOS M 300-4 servirà anche a valutare l’integrazione del sistema in un ambiente industriale complesso, caratterizzato da quattro laser, un’ampia piattaforma e una produzione destinata ad applicazioni critiche.
Verso una qualificazione basata sui dati di processo
Il risultato più importante del programma non sarà necessariamente l’eliminazione immediata dei controlli finali. La NASA punta a costruire le basi tecniche per attribuire ai dati in situ un valore riconosciuto all’interno della qualificazione.
Per raggiungere questo obiettivo sarà necessario dimostrare che il sistema è calibrabile, stabile e capace di produrre risultati comparabili nel tempo. Dovranno inoltre essere definite soglie di accettazione specifiche per materiali, geometrie e applicazioni.
Una determinata variazione di altezza potrebbe essere accettabile per un supporto, ma non per una parete sottile sottoposta a pressione. I dati dovranno quindi essere interpretati insieme al progetto del componente e alle sollecitazioni previste.
Il programma potrà contribuire alla definizione di procedure utilizzabili anche da altri produttori e organismi di certificazione. La disponibilità di dati oggettivi rappresenta infatti un passaggio necessario per aumentare l’impiego della stampa 3D metallica nella produzione seriale aerospaziale.
Il possibile impatto sulla produzione spaziale
La NASA utilizza la produzione additiva per ridurre tempi e costi di sviluppo dei sistemi di propulsione, ma la diffusione della tecnologia dipende dalla capacità di dimostrare la qualità dei componenti senza moltiplicare le prove distruttive.
Il progetto con Phase3D affronta questa esigenza attraverso la misurazione diretta di ogni strato. L’integrazione sulla EOS M 300-4 permetterà di raccogliere dati su una macchina progettata per una produzione industriale ad alta produttività.
La collaborazione con un gruppo aerospaziale e della propulsione consentirà inoltre di valutare la tecnologia in un contesto vicino alle condizioni operative della filiera.
Qualora le correlazioni tra anomalie e difetti risultassero affidabili, la NASA potrebbe disporre di uno strumento aggiuntivo per qualificare componenti destinati a motori, sistemi di alimentazione e altre applicazioni di volo.
Il monitoraggio in situ non sostituirà in modo automatico tutti i controlli successivi. Potrà però ridurre l’incertezza, individuare prima gli errori e costruire per ogni pezzo una documentazione digitale completa del processo produttivo.
