America Makes e il National Center for Defense Manufacturing and Machining, indicato con la sigla NCDMM, hanno selezionato quattro gruppi di ricerca e sviluppo nell’ambito del programma Powder Alloy Development for Additive Manufacturing 2.0, abbreviato in PADAM 2.0.
Il bando dispone di un budget federale complessivo di 6 milioni di dollari, fornito dall’Air Force Research Laboratory. L’obiettivo è migliorare la produzione additiva di leghe refrattarie destinate a componenti che devono operare ad alte temperature, con particolare attenzione alle esigenze dell’industria aerospaziale e della difesa statunitense.
Le organizzazioni capofila dei progetti sono Lockheed Martin Corporation, HRL Laboratories, ATI Materials e Colorado School of Mines. I gruppi selezionati comprendono inoltre Quadrus Corporation, 3Degrees, The Boeing Company, Amaero, Alloyed, Texas A&M University e University of Dayton Research Institute.
L’annuncio di America Makes identifica i partecipanti e la categoria assegnata, ma non comunica i titoli dei singoli progetti, le specifiche leghe che saranno studiate o l’importo definitivo attribuito a ciascun gruppo. Questi dettagli potrebbero essere resi disponibili durante l’esecuzione dei programmi o in occasione delle revisioni tecniche organizzate da America Makes.
Perché il programma si concentra sulle leghe refrattarie
Le leghe refrattarie sono materiali metallici progettati per conservare proprietà meccaniche utilizzabili a temperature alle quali molte leghe convenzionali perdono resistenza, subiscono deformazioni o sviluppano fenomeni di ossidazione accelerata.
Tra gli elementi associati a questa famiglia rientrano niobio, molibdeno, tantalio, tungsteno e renio. Le composizioni possono essere sviluppate per motori a razzo, sistemi di propulsione, veicoli ipersonici, turbine, ugelli, camere di combustione, scambiatori di calore e altri componenti esposti a flussi termici e sollecitazioni elevate.
La resistenza termica non rende però questi materiali semplici da produrre. Le alte temperature di fusione complicano la preparazione delle leghe e la produzione delle polveri. Alcune composizioni presentano una duttilità ridotta a temperatura ambiente, una sensibilità alla contaminazione o una limitata resistenza all’ossidazione quando vengono utilizzate senza rivestimenti protettivi.
Durante la fusione laser, i rapidi cicli di riscaldamento e raffreddamento possono generare tensioni residue, cricche, porosità e microstrutture differenti da quelle ottenute mediante fusione, forgiatura o metallurgia delle polveri tradizionale. Anche una lega già impiegata in ambito aerospaziale deve quindi essere caratterizzata nuovamente quando viene trasformata mediante produzione additiva.
PADAM 2.0 non finanzia soltanto la stampa di dimostratori. Il programma richiede di collegare la composizione della polvere, il processo di atomizzazione, i parametri della macchina, i trattamenti termici, la microstruttura e le prestazioni finali del materiale.
Dalla fattibilità alla qualificazione industriale
La possibilità di produrre un campione senza difetti visibili rappresenta soltanto una fase iniziale. Per utilizzare una lega in un componente aerospaziale o militare occorre dimostrare che il processo sia ripetibile e che le proprietà rimangano entro intervalli controllati.
Una variazione nella distribuzione granulometrica della polvere può modificare la densità apparente e il comportamento durante la stesura degli strati. Ossigeno, azoto e altre impurità possono influenzare duttilità, tenacità e resistenza alla frattura. Anche il numero di riutilizzi della polvere, l’atmosfera della camera, la potenza del laser e la strategia di scansione possono alterare il materiale.
I progetti PADAM 2.0 dovranno quindi produrre dati che consentano di confrontare materiali e processi, individuare le condizioni più affidabili e preparare un percorso verso la qualificazione. Il bando precisa che i dati generati non sono destinati, in questa fase, a costituire valori di progetto completi utilizzabili direttamente per il dimensionamento di componenti critici.
Il programma punta invece a creare basi tecniche sufficienti per selezionare le leghe, definire prove successive e ridurre le incertezze prima di sostenere campagne di qualificazione più costose.
Come sono distribuiti i 6 milioni di dollari
PADAM 2.0 è articolato in tre aree. La prima riguarda sistemi di leghe refrattarie già esistenti, la seconda materiali nuovi o in fase di sviluppo e la terza l’analisi della catena di fornitura.
Per la prima area il bando prevedeva due assegnazioni, con un finanziamento federale massimo di 2 milioni di dollari per ciascun progetto. Le due squadre selezionate sono guidate da Lockheed Martin Corporation e HRL Laboratories.
Per la seconda area era prevista un’assegnazione fino a 1,7 milioni di dollari. Il gruppo selezionato è guidato da ATI Materials.
La terza area dispone di un finanziamento massimo di 300.000 dollari ed è stata affidata a Colorado School of Mines.
I progetti delle prime due categorie possono avere una durata tecnica massima di 24 mesi, seguita da tre mesi per la preparazione e la finalizzazione del rapporto conclusivo. L’analisi della catena di fornitura può durare fino a 18 mesi, più tre mesi per il rapporto finale.
Il bando richiede inoltre una partecipazione finanziaria non federale pari ad almeno il 25% dei fondi richiesti. America Makes ha indicato come obiettivo preferibile una partecipazione del 50%. Il contributo può comprendere risorse economiche, personale, materiali, attrezzature e attività precedentemente sviluppate, purché siano ammissibili e documentate.
Lockheed Martin guida il primo gruppo sulle leghe esistenti
Il primo progetto della categoria dedicata alle leghe refrattarie esistenti è guidato da Lockheed Martin Corporation. Il gruppo comprende Quadrus Corporation, Colorado School of Mines e 3Degrees.
Lockheed Martin Corporation utilizza la produzione additiva in diversi programmi aerospaziali e della difesa e dispone di capacità interne per la fusione laser a letto di polvere, i trattamenti termici, l’ispezione e la qualificazione dei componenti.
Nel 2024 Lockheed Martin Corporation ha ampliato il proprio centro di produzione additiva di Grand Prairie, in Texas, con un’area di circa 1.500 metri quadrati. La struttura comprende sistemi multilaser di grande formato, apparecchiature per il trattamento termico e strumenti di controllo.
L’esperienza di Lockheed Martin Corporation consente al progetto PADAM 2.0 di essere collegato a requisiti applicativi concreti. Il programma richiede infatti che i gruppi comprendano organizzazioni capaci di definire le esigenze del componente e di valutare il passaggio dalla ricerca alla produzione.
Quadrus Corporation, con sede a Huntsville, opera nello sviluppo di sistemi di propulsione e nella produzione additiva di metalli per applicazioni aerospaziali. L’azienda dichiara esperienza nella fusione laser di leghe contenenti tungsteno e renio, molibdeno, renio elementare e C103, una lega a base di niobio utilizzata in ambienti ad alta temperatura.
Quadrus Corporation ha sviluppato parametri per la produzione di componenti propulsivi e ha lavorato su ugelli, iniettori e camere di combustione. Nel 2025 l’azienda ha comunicato di aver prodotto mediante fusione laser renio elementare completamente denso e privo di microcricche nelle condizioni analizzate.
Colorado School of Mines dispone di competenze in metallurgia, scienza dei materiali, caratterizzazione delle polveri e produzione additiva. L’università ospita programmi dedicati all’additive manufacturing e partecipa ad attività che collegano formazione, ricerca sui materiali e industria.
3Degrees è una società di consulenza specializzata in scienza dei materiali e produzione additiva. L’azienda lavora su sviluppo dei materiali, implementazione dei processi, tracciabilità, documentazione e gestione della qualità. Il software TraceAM di 3Degrees è progettato per organizzare dati relativi a polveri, macchine, parametri, post-processing e qualificazione.
Le attività precise assegnate a Lockheed Martin Corporation, Quadrus Corporation, Colorado School of Mines e 3Degrees non sono state pubblicate. Le competenze dichiarate dalle quattro organizzazioni coprono però applicazione finale, sviluppo dei parametri, caratterizzazione metallurgica e gestione dei dati.
HRL Laboratories guida il secondo progetto sulle leghe esistenti
Il secondo gruppo selezionato nella prima area è guidato da HRL Laboratories. Partecipano The Boeing Company, Amaero, Alloyed e Texas A&M University.
HRL Laboratories è un centro di ricerca controllato congiuntamente da The Boeing Company e General Motors. L’organizzazione sviluppa materiali, processi produttivi, microstrutture e sistemi di valutazione destinati ai settori aerospaziale, automobilistico e della difesa.
Nel campo della produzione additiva, HRL Laboratories ha lavorato sulla modifica delle polveri mediante particelle che controllano la solidificazione. Questa attività ha portato, tra gli altri risultati, alla lega di alluminio 7A77, progettata per essere lavorata mediante fusione a letto di polvere.
L’esperienza di HRL Laboratories nella funzionalizzazione delle polveri può risultare pertinente allo studio delle leghe refrattarie esistenti. Il bando PADAM 2.0 permette infatti di analizzare l’aggiunta controllata di ossidi, carburi o altre fasi, purché il progetto mantenga come obiettivo principale la maturazione di una polvere già formulata e disponibile.
The Boeing Company partecipa sia al gruppo guidato da HRL Laboratories sia a quello guidato da ATI Materials. L’azienda dispone di strutture per la produzione additiva metallica e utilizza processi di qualificazione destinati a componenti aeronautici e spaziali.
Il Boeing Additive Manufacturing Fabrication Center di Auburn comprende sistemi a letto di polvere per alluminio e titanio, laboratori e capacità di post-processing. L’attività di The Boeing Company è orientata alla definizione di processi stabili e ripetibili capaci di soddisfare requisiti di certificazione.
Amaero produce polveri sferiche di leghe refrattarie e di titanio negli Stati Uniti. L’azienda utilizza sistemi di atomizzazione EIGA e ha dedicato una parte della capacità produttiva alle leghe refrattarie.
Amaero dichiara una capacità annuale nell’ordine delle centinaia di tonnellate, suddivisa tra polveri refrattarie e leghe di titanio. L’azienda ha inoltre lavorato sulla produzione e sulla qualificazione della lega C103 per sistemi di fusione laser.
La disponibilità di un produttore di polveri è un requisito esplicito della prima area PADAM 2.0. Ogni gruppo deve includere almeno un fornitore in grado di produrre il materiale nelle quantità, nei tempi e nella forma previsti dal piano di lavoro.
Alloyed sviluppa leghe mediante metodi computazionali e strumenti digitali destinati alla progettazione dei materiali, dei parametri laser e dei percorsi di scansione. L’azienda si occupa anche di produzione, monitoraggio, qualificazione e controllo della qualità.
Le piattaforme di Alloyed collegano composizione, microstruttura, processo e prestazioni. Questo approccio permette di valutare numerose combinazioni prima di avviare campagne sperimentali complete.
Texas A&M University conduce ricerche sulla progettazione di leghe per temperature estreme e sulla loro compatibilità con i processi di fusione a letto di polvere. I ricercatori di Texas A&M University combinano modelli fisici, ottimizzazione, intelligenza artificiale ed esperimenti ad alta produttività.
Un gruppo di Texas A&M University ha sviluppato un metodo per selezionare leghe refrattarie considerando contemporaneamente prestazioni termiche e possibilità di produzione. Alcuni materiali individuati attraverso questo percorso sono stati atomizzati e sottoposti alle prime prove di stampa.
Le funzioni specifiche di HRL Laboratories, The Boeing Company, Amaero, Alloyed e Texas A&M University all’interno di PADAM 2.0 non sono state rese pubbliche. La struttura del gruppo riunisce comunque ricerca sui materiali, produzione di polveri, progettazione computazionale, sviluppo dei processi e valutazione applicativa.
ATI Materials guiderà lo sviluppo di una lega nuova o emergente
La seconda area PADAM 2.0 è dedicata a sistemi di leghe refrattarie nuovi, modificati o non ancora adottati su scala industriale. Il gruppo selezionato è guidato da ATI Materials e comprende The Boeing Company e University of Dayton Research Institute.
Questa categoria non finanzia la scoperta di materiali privi di una base sperimentale. Le proposte devono partire da un livello di maturità tecnologica almeno pari a TRL 3 e includere dati che dimostrino la fattibilità iniziale.
Le attività possono comprendere variazioni della composizione, controllo delle fasi di carburi e ossidi, ottimizzazione del processo e progettazione integrata del materiale. Il bando incoraggia l’impiego di Integrated Computational Materials Engineering, modelli fisici, intelligenza artificiale e machine learning.
ATI Materials produce leghe speciali, polveri metalliche e componenti per applicazioni aerospaziali, energetiche e della difesa. L’azienda dispone di una filiera che comprende scienza dei materiali, produzione delle polveri, fusione a letto di polvere, trattamento isostatico a caldo, lavorazione meccanica e controllo.
Tra i materiali proposti da ATI Materials per la produzione additiva figura C103, una lega a base di niobio. ATI Materials lavora inoltre su superleghe di nichel, titanio, acciai e leghe proprietarie destinate a condizioni operative severe.
The Boeing Company potrà contribuire con le proprie competenze in applicazioni aerospaziali, qualificazione e valutazione della producibilità, anche se il ruolo formale all’interno del progetto non è stato specificato.
University of Dayton Research Institute, indicato con la sigla UDRI, sviluppa processi di produzione additiva, sistemi laser e metodologie per la caratterizzazione dei materiali.
UDRI dispone di laboratori per prove in ambienti estremi e può misurare resistenza, frattura, creep e proprietà termofisiche a temperature che arrivano a circa 1.550 °C. Le capacità dichiarate comprendono prove in vuoto, analisi microstrutturale, conducibilità termica, calore specifico e coefficiente di espansione.
Questa infrastruttura è coerente con gli obiettivi PADAM 2.0, che richiedono di valutare le proprietà del materiale lungo un intervallo di temperature utile per l’applicazione.
Prove previste oltre i 1.300 °C
Per i progetti dedicati ai materiali, America Makes indica una temperatura di riferimento minima di 1.300 °C. Quando la lega e l’applicazione lo consentono, l’obiettivo dovrebbe avvicinarsi o superare i 1.500 °C.
Le proprietà da analizzare possono includere resistenza a trazione, modulo elastico, duttilità, fatica, creep, espansione termica, conducibilità, calore specifico, tenacità alla frattura e comportamento a velocità di deformazione elevate.
Il creep è importante per i componenti che rimangono sotto carico ad alta temperatura. Un materiale può sopportare una sollecitazione durante una prova breve ma deformarsi progressivamente quando la stessa sollecitazione viene applicata per centinaia o migliaia di ore.
Anche l’ossidazione rappresenta un limite. Una lega può mantenere una resistenza meccanica elevata ma degradarsi quando reagisce con l’ossigeno. Il comportamento deve essere valutato tenendo conto della temperatura, del tempo, dell’atmosfera e dell’eventuale impiego di rivestimenti.
Il programma dovrà esaminare inoltre la stabilità dopo l’esposizione termica. Cicli ripetuti possono modificare la microstruttura, far crescere i grani, precipitare nuove fasi o ridurre la duttilità.
Il ruolo della polvere e dell’atomizzazione
La produzione di una lega per additive manufacturing comincia prima dell’ingresso nella stampante. Le materie prime devono essere fuse e trasformate in particelle con dimensioni, composizione e morfologia controllate.
Per la fusione laser a letto di polvere sono richieste particelle capaci di scorrere e distribuirsi in strati uniformi. Satelliti, particelle cave, forme irregolari e distribuzioni granulometriche non controllate possono compromettere la densità del letto.
Il metodo di atomizzazione può influenzare ossigeno, impurità, velocità di solidificazione e microstruttura interna della polvere. Queste caratteristiche possono riflettersi sulla fusione, sulla formazione dei difetti e sulle proprietà del componente.
PADAM 2.0 chiede ai gruppi di studiare la relazione tra metodo di produzione del feedstock e risposta del materiale stampato. Il programma richiede anche la preparazione di bozze di specifiche per la polvere e per il materiale consolidato.
La standardizzazione è necessaria per evitare che una lega venga definita soltanto attraverso il nome commerciale. Una specifica deve stabilire intervalli di composizione, livelli massimi di impurità, distribuzione granulometrica, metodi di prova e condizioni di trattamento.
Colorado School of Mines analizzerà la filiera dalla miniera al componente qualificato
La terza area del programma è stata affidata a Colorado School of Mines. Il progetto non si concentra su una sola lega, ma sulla catena di fornitura dei materiali refrattari.
L’analisi dovrà seguire il percorso dalle attività estrattive fino alla produzione di un componente qualificato. Sono comprese raffinazione, produzione della lega, atomizzazione, gestione della polvere, stampa, trattamenti termici, lavorazioni, ispezione e prove.
Colorado School of Mines dovrà individuare dipendenze estere, fornitori unici, limiti di capacità, tempi di consegna e passaggi che possono impedire l’aumento della produzione.
Il progetto dovrà valutare anche l’infrastruttura di qualificazione. La disponibilità di polvere e stampanti non è sufficiente quando i laboratori capaci di eseguire prove di creep, ossidazione o resistenza a 1.500 °C hanno capacità limitata o tempi di attesa lunghi.
L’analisi comprenderà mappe della filiera, valutazioni quantitative del rischio, identificazione delle vulnerabilità e possibili strategie di mitigazione. I risultati dovranno supportare le decisioni su investimenti, capacità produttiva e priorità di qualificazione.
Il concetto “mine-to-qualified part” evidenzia che la sicurezza della fornitura dipende dall’intera sequenza. Una sola fase non disponibile sul territorio nazionale può impedire la produzione, anche quando tutte le altre tecnologie sono mature.
La differenza tra PADAM e PADAM 2.0
PADAM 2.0 prosegue un programma avviato da America Makes e NCDMM nel 2023. La prima edizione disponeva anch’essa di 6 milioni di dollari e comprendeva due progetti.
Il primo progetto PADAM era guidato da Castheon e riguardava la maturazione della lega refrattaria C103 per applicazioni ipersoniche e spaziali. Il gruppo comprendeva 6K Additive, Advanced Powders & Coatings, ATI Specialty Alloys and Components, FormAlloy Technologies, Lockheed Martin Corporation, NASA Glenn Research Center e NSL Analytical.
Il secondo progetto era guidato da The Boeing Company e riguardava la superlega di nichel ATI 1700 sviluppata da ATI Materials. Il gruppo comprendeva anche Quintus Technologies e RPM Innovations.
La seconda edizione amplia l’impostazione. PADAM 2.0 mantiene una linea sulle leghe già disponibili, aggiunge una categoria specifica per i materiali emergenti e introduce un progetto indipendente sulla catena di fornitura.
Questa struttura riconosce che le difficoltà non riguardano soltanto la formulazione chimica. Servono polveri prodotte in modo ripetibile, macchine industriali compatibili, trattamenti disponibili, laboratori di prova e percorsi di qualificazione accettati dagli utilizzatori finali.
Dal provino al componente
La maggior parte dei programmi sui nuovi materiali inizia con piccoli provini. Questi campioni permettono di esplorare parametri, misurare densità e analizzare la microstruttura consumando quantità limitate di polvere.
I risultati ottenuti sui provini non si trasferiscono automaticamente a un componente. Un pezzo più grande presenta una storia termica diversa, maggiori tensioni residue e un rischio superiore di deformazione.
Il passaggio alla scala del componente richiede dimostratori che contengano pareti sottili, sezioni massicce, canali interni, cambiamenti di spessore e orientamenti differenti. Devono essere valutati anche supporti, rimozione della polvere, distacco dalla piattaforma e lavorazioni finali.
PADAM 2.0 chiede che i materiali esistenti raggiungano un livello di maturità tecnologica pari almeno a TRL 5 alla fine della fase tecnica. Questo livello richiede una validazione in un ambiente pertinente e non soltanto una dimostrazione di laboratorio.
La maturità produttiva deve avanzare insieme a quella del materiale. Un processo capace di costruire un singolo componente non è pronto per la produzione quando richiede continue regolazioni manuali, produce una percentuale elevata di scarti o dipende da una polvere disponibile soltanto in quantità sperimentali.
Che cosa manca nell’annuncio
America Makes non ha comunicato quali leghe saranno studiate dai gruppi guidati da Lockheed Martin Corporation, HRL Laboratories e ATI Materials.
Non è quindi possibile affermare che un progetto riguarderà C103, tungsteno-renio, molibdeno o un’altra composizione specifica. Le competenze pregresse dei partecipanti indicano materiali di possibile interesse, ma non costituiscono una conferma dell’oggetto dei nuovi contratti.
Non sono stati pubblicati neppure i valori economici attribuiti ai singoli gruppi. Le cifre di 2 milioni, 1,7 milioni e 300.000 dollari rappresentano i massimali stabiliti dal bando.
Mancano infine dettagli sulle piattaforme di stampa, sui trattamenti termici e sui componenti dimostrativi. La pubblicazione di questi elementi potrebbe essere limitata dalle esigenze di proprietà intellettuale e dalla natura militare di una parte delle applicazioni.
Un programma orientato alla riduzione del rischio
Il risultato più utile di PADAM 2.0 non sarà necessariamente una nuova composizione chimica. Il programma dovrà produrre procedure, dati e criteri che consentano di decidere quali materiali meritano ulteriori investimenti.
Lockheed Martin Corporation, HRL Laboratories e ATI Materials guideranno lo sviluppo tecnico delle leghe. Quadrus Corporation, Amaero e Alloyed porteranno competenze nella produzione delle polveri, nello sviluppo dei processi e nella progettazione computazionale. The Boeing Company contribuirà a due gruppi con la propria esperienza aerospaziale e di qualificazione.
Colorado School of Mines, Texas A&M University e University of Dayton Research Institute metteranno a disposizione capacità accademiche e sperimentali. 3Degrees potrà contribuire con competenze in gestione dei dati, tracciabilità e qualità.
La presenza di aziende, università e centri di ricerca permette di affrontare il materiale lungo l’intero percorso produttivo. PADAM 2.0 dovrà dimostrare se queste competenze possono essere trasformate in processi ripetibili, forniture disponibili e dati sufficientemente solidi per sostenere applicazioni operative.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)