AM2SoftMag sviluppa un vetro metallico per rotori e statori stampati in 3D

Vetro metallico stampato in 3D per motori elettrici: una nuova lega Fe-Si-B-Nb-Ni riduce la coercitività a 44 A/m

Un gruppo di ricerca europeo ha sviluppato una nuova lega amorfa a base di ferro progettata specificamente per essere lavorata mediante Laser Powder Bed Fusion (LPBF), con l’obiettivo di realizzare in futuro componenti magnetici per motori elettrici caratterizzati da minori perdite. Il lavoro nasce nell’ambito del progetto europeo AM2SoftMag e coinvolge, tra gli altri, Saarland University, IMDEA Materials, l’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) di Torino e Technische Universität Berlin. I risultati sono descritti nello studio “Laser powder bed fusion of a newly designed Fe-based bulk metallic glass with enhanced soft magnetic properties”, pubblicato online da Acta Materialia e assegnato al volume 318 della rivista. Il risultato va però interpretato con precisione: i ricercatori non hanno ancora dimostrato che un motore completo costruito con questa nuova lega consumi una determinata percentuale di energia in meno. Lo studio riguarda soprattutto la progettazione della lega, la sua lavorabilità mediante LPBF, la conservazione della struttura amorfa e le relative proprietà magnetiche. La verifica delle prestazioni in rotori e statori funzionanti rappresenta uno dei passaggi successivi del programma di ricerca.

Perché un vetro metallico può essere interessante in un motore elettrico

L’espressione “vetro metallico” può essere fuorviante perché non indica un materiale trasparente né un vetro tradizionale. Si tratta di una lega metallica nella quale, durante la solidificazione, viene impedita o fortemente limitata la formazione della struttura cristallina ordinata tipica dei metalli convenzionali. Gli atomi rimangono quindi organizzati in una configurazione disordinata, detta amorfa. Per ottenere questa struttura occorre raffreddare il materiale abbastanza rapidamente da non concedere agli atomi il tempo necessario per nucleare e sviluppare cristalli.

Nel caso delle leghe ferromagnetiche a base di ferro, l’assenza di bordi di grano, precipitati e altre discontinuità cristalline può favorire un comportamento magneticamente “dolce”, cioè una magnetizzazione che può essere invertita applicando campi relativamente piccoli. Questa caratteristica è importante perché il materiale presente nel circuito magnetico di un motore viene magnetizzato e smagnetizzato continuamente. Ogni ciclo comporta perdite di energia, una parte delle quali viene trasformata in calore.

Le cosiddette perdite nel ferro non dipendono da un unico fenomeno. Comprendono le perdite per isteresi, collegate all’energia necessaria per invertire la magnetizzazione del materiale, le perdite dovute alle correnti parassite indotte nel materiale conduttore dal campo magnetico variabile e altri contributi dinamici. Un materiale con bassa coercitività può ridurre il primo contributo, mentre una resistività elettrica elevata può contribuire a contenere le correnti parassite. È quindi improprio dedurre l’efficienza complessiva di un motore partendo dal solo valore di coercitività: geometria, frequenza di funzionamento, induzione magnetica, saturazione, spessore delle parti, temperatura, perdite nel rame, cuscinetti, elettronica di potenza e raffreddamento contribuiscono tutti al rendimento finale.

La nuova lega Fe-Si-B-Nb-Ni

La composizione studiata dai ricercatori è Fe70,56Si7,52B16Nb3,92Ni2, con percentuali espresse in atomi. Contiene quindi circa il 70,6% atomico di ferro, insieme a silicio, boro, niobio e una piccola quantità di nichel. La formulazione è stata sviluppata con l’obiettivo di aumentare la Glass-Forming Ability, o GFA, cioè la capacità della lega di solidificare mantenendo una struttura amorfa.

Uno degli indicatori utilizzati per quantificare questa proprietà è lo spessore critico di colata: oltre una certa dimensione, infatti, il raffreddamento diventa troppo lento e iniziano a comparire cristalli. Per la nuova composizione i ricercatori indicano uno spessore critico di circa 1 mm. Si tratta di un valore nettamente superiore a quello di alcune leghe commerciali a base di ferro prive di fosforo, cobalto e terre rare impiegate nei precedenti studi del gruppo, per le quali vengono riportati valori nell’ordine di 120-150 micrometri. Definire il miglioramento come “circa dieci volte” è quindi una semplificazione: a seconda del materiale assunto come riferimento il rapporto è più vicino a circa sette-otto volte, pur rimanendo un incremento significativo della capacità di formare vetro metallico.

La nuova formulazione evita l’impiego di cobalto, fosforo e terre rare. È però importante non trasformare questa caratteristica nell’affermazione più generale secondo cui il materiale sarebbe “privo di materie prime critiche”. La lega contiene infatti niobio e boro, entrambi inclusi dall’Unione Europea nell’elenco delle materie prime critiche previsto dal Critical Raw Materials Act. Il vantaggio rivendicato dal progetto riguarda quindi soprattutto l’eliminazione di alcuni elementi problematici, in particolare cobalto e terre rare, e non l’eliminazione di qualsiasi materiale classificato come critico.

Perché stampare un vetro metallico è difficile

A prima vista il Laser Powder Bed Fusion sembrerebbe particolarmente adatto ai vetri metallici. Il laser fonde infatti quantità estremamente piccole di materiale e il bagno fuso può solidificare rapidamente, una condizione favorevole alla formazione di una struttura amorfa. La difficoltà nasce però dopo la prima solidificazione. Durante la costruzione strato per strato, il laser passa ripetutamente vicino a materiale già consolidato, sottoponendolo a nuovi cicli termici. Questi riscaldamenti possono portare alcune zone del componente nell’intervallo di temperatura nel quale la cristallizzazione diventa cineticamente possibile.

Il problema viene chiamato devetrificazione o devitrificazione. Una lega inizialmente amorfa può cioè sviluppare fasi cristalline durante la produzione. Anche una quantità relativamente limitata di cristalli può peggiorare le proprietà magnetiche introducendo ostacoli al movimento delle pareti dei domini magnetici.

Gli studi precedenti condotti sul materiale commerciale Kuamet 6B2 avevano evidenziato un vero e proprio compromesso fra densità e amorficità. Aumentando l’energia del processo si fonde meglio la polvere e si riducono i difetti da mancata fusione, ma cresce l’esposizione termica e quindi la cristallizzazione. Riducendo l’energia è più facile preservare la fase amorfa, ma aumenta il rischio di porosità, lack of fusion e cricche. Nel 2025 lo stesso gruppo aveva dimostrato che introducendo brevi pause fra le tracce laser si poteva aumentare la frazione amorfa senza compromettere nella stessa misura la densità. La nuova lega nasce anche per rendere questo equilibrio meno critico.

LPBF, doppia scansione e controllo della storia termica

Per lo studio più recente la polvere della lega Fe-Si-B-Nb-Ni è stata prodotta da Epson ATMIX mediante un processo di atomizzazione denominato SWAP. La lavorazione LPBF è stata effettuata utilizzando una RenAM500Q Flex dotata di laser a fibra di itterbio con spot di circa 80 micrometri. I ricercatori hanno impiegato strati da 30 micrometri e confrontato diverse potenze, tempi di esposizione, pause fra le tracce e strategie di scansione.

Particolare importanza assume la doppia scansione. Invece di limitarsi a fondere una volta ciascuno strato, alcune strategie prevedono una seconda esposizione laser dello stesso materiale prima della deposizione dello strato successivo. Potrebbe sembrare controintuitivo, perché un secondo passaggio introduce ulteriore calore, ma la combinazione fra composizione della lega, energia, sequenza temporale e raffreddamento modifica la rilassazione strutturale del vetro e la sua resistenza alla successiva devitrificazione.

Secondo i risultati dello studio, le condizioni nelle quali ogni strato viene rifuso hanno permesso di ottenere campioni classificati come completamente amorfi mediante diffrazione a raggi X. Questa definizione va letta nel contesto della tecnica di misura: “completamente amorfo mediante XRD” significa che la diffrazione non rileva picchi riconducibili a fasi cristalline entro la sensibilità e la scala della misura, non che sia stato dimostrato atomisticamente che ogni volume del componente sia privo di qualsiasi ordine cristallino.

Per approfondire la struttura i ricercatori hanno infatti combinato diverse tecniche: diffrazione a raggi X, calorimetria differenziale a scansione, microscopia elettronica, EBSD, microscopia elettronica in trasmissione, tomografia computerizzata a raggi X e Atom Probe Tomography. La combinazione di queste tecniche ha consentito di studiare sia la presenza di cristalli sia porosità, cricche, distribuzione degli elementi e stato strutturale della fase amorfa.

I principali numeri dello studio

Anche sul dato della densità è necessaria una precisazione. La comunicazione divulgativa di IMDEA Materials parla di densità superiore al 92%, ma la tabella sperimentale pubblicata nel lavoro scientifico mostra valori differenti a seconda dei parametri, con un minimo di circa 90,8% e un massimo di circa 97,1%. Il messaggio corretto è quindi che il processo ha prodotto campioni con densità relativamente elevata pur conservando un’elevata frazione amorfa, ma non componenti completamente densi e non campioni tutti superiori al 92%.

Questa differenza non è marginale in prospettiva industriale. Una densità relativa del 94-97% significa ancora alcuni punti percentuali di volume occupati da pori, cricche o altri difetti. In un provino per caratterizzazione dei materiali può essere accettabile; in un rotore soggetto a elevate velocità di rotazione, carichi ciclici, vibrazioni e sollecitazioni centrifughe la presenza e distribuzione dei difetti diventa invece un parametro strutturale da qualificare con molta attenzione.

44 A/m: cosa significa realmente la bassa coercitività

Il valore più interessante dello studio è una coercitività minima di 44 A/m nello stato as-built, cioè prima di eventuali trattamenti termici successivi. La coercitività misura, semplificando, l’intensità del campo magnetico inverso necessaria per riportare la magnetizzazione del materiale attraverso lo zero dopo la magnetizzazione. Nei materiali magnetici dolci è desiderabile che questo valore sia basso.

Gli autori sottolineano che i 44 A/m rappresentano un valore almeno un ordine di grandezza inferiore rispetto ai risultati precedentemente ottenuti con vetri metallici a base di ferro stampati mediante LPBF e privi contemporaneamente di fosforo, cobalto e terre rare. Il confronto è particolarmente interessante con Kuamet 6B2: nei precedenti esperimenti LPBF dello stesso gruppo, anche introducendo pause controllate fra le tracce, i valori più bassi ottenuti sui campioni stampati rimanevano nell’ordine di 1.000 A/m. La nuova combinazione di lega e processo porta quindi il comportamento magnetico del materiale stampato molto più vicino a quello richiesto per applicazioni soft-magnetic.

Non bisogna però confrontare direttamente il valore di 44 A/m con quello di qualsiasi materiale magnetico commerciale senza considerare geometria, trattamento termico, frequenza di misura e metodo di caratterizzazione. Nel campo dei materiali magnetici è possibile ottenere valori molto bassi anche con leghe convenzionali opportunamente laminate e ricotte. L’interesse del nuovo risultato consiste soprattutto nell’aver raggiunto una coercitività così bassa direttamente su un materiale amorfo prodotto additivamente e senza un trattamento post-process destinato a svilupparne le proprietà magnetiche.

Lo studio indica inoltre che, una volta raggiunte frazioni amorfe molto elevate, la coercitività non dipende più semplicemente dalla quantità residua di fase cristallina. Porosità, tensioni residue, eterogeneità strutturale e magnetostrizione possono diventare altrettanto importanti. È quindi insufficiente limitarsi all’obiettivo “100% amorfo”: per realizzare un componente magnetico industriale è necessario controllare contemporaneamente microstruttura, difetti, tensioni interne, geometria e finitura.

Dalla polvere a un vero rotore: la strada è ancora aperta

AM2SoftMag non parte da zero. Nel corso del progetto sono già stati studiati componenti amorfi con geometrie compatibili con applicazioni motoristiche. Nel 2022 un gruppo comprendente ricercatori di Saarland University e INRIM aveva pubblicato la produzione tramite Selective Laser Melting di un rotore amorfo Fe-Si-Cr-B-C da circa 60 mm di diametro e 46 mm di altezza. Quel lavoro mostrava la possibilità di produrre geometrie magnetiche tridimensionali di dimensioni difficili da ottenere mediante le tradizionali tecniche di colata dei vetri metallici, pur evidenziando fenomeni di cristallizzazione locale e anisotropia.

La possibilità di stampare il circuito magnetico può inoltre aprire strade che le tradizionali lamiere magnetiche impilate rendono difficili. Il progettista potrebbe, almeno in linea teorica, modificare tridimensionalmente i percorsi del flusso magnetico, integrare canali di raffreddamento oppure ottimizzare localmente le sezioni del materiale. È proprio questa libertà geometrica, insieme alle proprietà del materiale amorfo, a rendere interessante l’additive manufacturing per macchine elettriche.

Questi vantaggi teorici devono però essere confrontati con problemi altrettanto concreti. L’LPBF è molto più lento della produzione di pacchi lamellari tradizionali; la polvere richiede produzione e controllo specifici; porosità e cricche devono essere fortemente ridotte; le proprietà magnetiche devono essere caratterizzate alle frequenze e alle induzioni effettivamente utilizzate nel motore; eventuali trattamenti termici devono preservare la fase amorfa; tolleranze dimensionali e superfici possono richiedere post-processing; infine il costo per chilogrammo di un componente LPBF rimane molto differente da quello delle lamiere elettriche prodotte in grandi volumi.

La stampa 3D potrebbe quindi trovare inizialmente maggiore spazio dove geometria, integrazione funzionale, frequenze elevate, riduzione di peso o prestazioni specifiche giustificano il costo produttivo, piuttosto che sostituire indiscriminatamente le tecnologie convenzionali di tutti i motori elettrici.

Il progetto europeo AM2SoftMag

AM2SoftMag, acronimo di “Additive Manufacturing of Amorphous Metals for Soft Magnetics”, è stato finanziato nell’ambito dello European Innovation Council Pathfinder di Horizon Europe. Il progetto è iniziato il 1° marzo 2022 e si è concluso formalmente il 28 febbraio 2026, con un costo e un contributo europeo pari a circa 3,45 milioni di euro. Il coordinamento è stato affidato alla Saarland University.

Il programma ha riunito competenze sulla progettazione dei vetri metallici, produzione delle polveri, additive manufacturing, caratterizzazione magnetica, metrologia e progettazione delle macchine elettriche. Il lavoro sulla nuova lega Fe-Si-B-Nb-Ni costituisce quindi uno dei risultati scientifici emersi dal progetto, non un prodotto commerciale già qualificato per l’impiego nei motori.

Cosa manca prima di un’applicazione industriale

I risultati dimostrano che progettare contemporaneamente materiale e processo è una strada efficace per superare alcuni dei limiti storici della produzione additiva di vetri metallici a base di ferro. Lo spessore critico di circa 1 mm amplia la finestra di lavorazione, la doppia scansione permette di conservare una struttura fortemente amorfa e la coercitività di 44 A/m è un risultato magnetico rilevante per un materiale Fe-based stampato nello stato as-built.

Non siamo però ancora di fronte a una tecnologia qualificata per la produzione seriale di motori. Devono essere ulteriormente ridotti pori e cricche, verificata la ripetibilità fra build differenti, aumentate le dimensioni dei componenti, analizzate le proprietà meccaniche e la resistenza a fatica e caratterizzate le perdite magnetiche in funzione della frequenza e dell’induzione. Sarà soprattutto necessario costruire e provare rotori e statori rappresentativi, misurando coppia, temperatura, perdite e rendimento dell’intera macchina rispetto a soluzioni convenzionali.

Il dato dei 44 A/m non equivale quindi automaticamente a un determinato aumento percentuale dell’autonomia di un veicolo elettrico, di un drone o di una e-bike. Indica però che la combinazione fra progettazione di una nuova lega amorfa e controllo della storia termica durante LPBF è riuscita a risolvere una parte importante del problema. Il passaggio successivo consiste nel verificare se queste proprietà di laboratorio possono essere mantenute in componenti più grandi, più densi, ripetibili e realmente utilizzabili all’interno di macchine elettriche.

Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI).