DaMic: il programma DFG per leghe metalliche riciclabili punta sulla stampa 3D — la Bergische Universität Wuppertal tra i protagonisti
Il contesto: perché i metalli per la manifattura additiva necessitano di essere ripensati
La produzione di materiali metallici è tra le principali fonti di emissioni industriali di CO₂. Processi come l’estrazione mineraria, la fusione, la laminazione e la lavorazione delle leghe comportano un consumo energetico elevato che, nella stragrande maggioranza dei casi, dipende ancora da fonti fossili. A questo si aggiunge un secondo problema strutturale: molte leghe ad alte prestazioni, ampiamente utilizzate nella manifattura additiva, contengono elementi chimici classificati come “critici” — ovvero scarsi, distribuiti geograficamente in poche aree del mondo o soggetti a volatilità di approvvigionamento. Scandio, litio, cobalto e terre rare rientrano in questa categoria. L’impiego di tali elementi complica non solo la catena di fornitura, ma anche il riciclo a fine vita del componente, poiché la presenza di elementi multipli in concentrazioni elevate rende difficile separare e recuperare il materiale con processi economicamente sostenibili.
Il programma DFG SPP 2489 – DaMic: approccio e obiettivi
Il programma di ricerca DaMic (acronimo di “Data-driven and inverse materials design for Circular Economy”) è un Schwerpunktprogramm (programma prioritario) finanziato dalla Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), l’ente tedesco per il finanziamento della ricerca scientifica, con numero di riferimento SPP 2489. La sede coordinatrice è il Technische Universität Dresden, e il programma raccoglie più istituzioni universitarie e di ricerca tedesche che lavorano in modo coordinato su sottoprogetti tematici correlati.
L’obiettivo centrale di DaMic è sviluppare metodi digitali per il cosiddetto design inverso dei materiali (inverse materials design). Nell’approccio tradizionale, si parte da una lega esistente e se ne studiano le proprietà. Con il design inverso, il processo è ribaltato: si definiscono prima le proprietà target — resistenza meccanica, resistenza all’usura, riciclabilità, processabilità in stampa 3D — e poi si utilizzano simulazioni computazionali, metodi ad alto throughput e intelligenza artificiale per identificare le composizioni di lega più adatte a soddisfarle. Questo consente di esplorare spazi compositivi molto ampi in tempi incomparabilmente più brevi rispetto alla ricerca sperimentale tradizionale.
Una delle priorità tematiche del programma è lo sviluppo di lean alloys — letteralmente “leghe snelle” — caratterizzate da un numero ridotto di elementi alliganti, senza componenti critici o rari, e progettate fin dall’inizio per essere compatibili con cicli di riciclo multipli. Il programma studia anche le cosiddette “dirty alloys”, cioè leghe tolleranti alle impurezze derivanti dall’utilizzo di materie prime secondarie (rottame metallico), condizione frequente nei circuiti industriali di riciclo.
Il sottoprogetto della Bergische Universität Wuppertal: leghe di alluminio senza elementi critici per la stampa 3D
Tra i gruppi di ricerca che partecipano a DaMic, la Bergische Universität Wuppertal è impegnata in un sottoprogetto specificamente orientato alla manifattura additiva con leghe di alluminio. La responsabile scientifica del progetto è la Dr. Silja Rittinghaus, ricercatrice nel campo dei materiali per la produzione additiva.
Il punto di partenza è una criticità ben nota nell’alluminio per stampa 3D: le leghe ad alte prestazioni attualmente più utilizzate nel settore — in particolare alcune varianti sviluppate per processi laser powder bed fusion (L-PBF) — contengono scandio e litio come elementi alliganti chiave. Lo scandio migliora significativamente la resistenza meccanica e la processabilità in stampa 3D, inibendo la crescita dei grani durante la solidificazione rapida tipica del processo L-PBF. Il litio riduce la densità e aumenta il modulo elastico. Tuttavia, entrambi gli elementi sono costosi, presenti in quantità limitate e difficili da separare durante il riciclo, il che rende il rottame di tali leghe difficilmente reintroducibile nella catena produttiva senza perdita di valore o di prestazioni.
L’approccio di Rittinghaus mira a sviluppare leghe di alluminio che sostituiscano questi elementi con alliganti facilmente reperibili, meno costosi e compatibili con i cicli di riciclo esistenti, pur mantenendo proprietà meccaniche adeguate ad applicazioni strutturali e ingegneristiche impegnative. La ricerca combina modellazione computazionale, sperimentazione ad alto throughput e stampa 3D come strumento di validazione dei nuovi materiali.
Come dichiarato dalla ricercatrice: “Ci concentriamo su leghe di alluminio con elementi alliganti facilmente disponibili e non critici, che possano essere più facilmente riciclabili, più sostenibili e comunque sufficientemente resistenti per applicazioni meccanicamente impegnative.”
Il sottoprogetto di Arne Röttger: acciai rapidi lean per utensili
Un secondo filone della partecipazione wuppertaler al programma DaMic riguarda gli acciai rapidi (High Speed Steels, HSS), studiati dal Prof. Arne Röttger. Gli acciai rapidi sono materiali impiegati nella produzione di utensili da taglio — frese, punte, inserti — e si distinguono per l’elevata durezza a caldo e la resistenza all’usura. Contengono tipicamente elementi come tungsteno, molibdeno, vanadio e cobalto in concentrazioni significative, che conferiscono le proprietà caratteristiche ma complicano la riciclabilità.
L’obiettivo del sottoprogetto è sviluppare varianti “lean” di questi acciai, con contenuto di elementi alliganti ridotto, che mantengano prestazioni competitive in termini di resistenza all’usura e durata utensile ma siano più facili da riciclare. La logica è duplice: una maggiore durata del componente riduce la frequenza di sostituzione e quindi la quantità totale di materiale consumato; una composizione semplificata facilita il riciclo del rottame generato a fine vita. Come sottolineato dallo stesso Röttger: “Una maggiore resistenza all’usura e un design lean delle leghe prolungano la vita utile e facilitano il riciclo di questi acciai. Nel settore degli utensili, il volume annuo di materiale riciclato è considerevole, e il potenziale di miglioramento è quindi sostanziale.”
Metodi digitali e intelligenza artificiale come abilitatori del processo
La combinazione tra manifattura additiva, simulazione computazionale e intelligenza artificiale è il cuore metodologico di DaMic. I metodi ad alto throughput consentono di testare sperimentalmente o simulare un gran numero di composizioni in parallelo, invece di procedere per prove sequenziali. I modelli AI vengono addestrati sui dataset così generati per prevedere le proprietà di leghe non ancora sperimentate, guidando la ricerca verso composizioni promettenti. Questo approccio riduce drasticamente i tempi di sviluppo rispetto alla metallurgia sperimentale classica e permette di esplorare spazi composizionali che sarebbero impraticabili con soli metodi tradizionali.
Per la manifattura additiva, questo è particolarmente rilevante perché le leghe sviluppate devono soddisfare requisiti di processabilità specifici del processo stesso — comportamento alla fusione durante l’irraggiamento laser, solidificazione rapida, formazione della microruttura nella zona fusa — oltre alle proprietà meccaniche finali. Il design inverso può quindi ottimizzare simultaneamente più parametri, inclusi quelli legati alla stampabilità.
Rilevanza per la manifattura additiva metallica
Il programma DaMic si colloca in un contesto più ampio in cui la sostenibilità dei materiali per la stampa 3D metallica sta diventando un tema di crescente attenzione. Diversi progetti europei e internazionali stanno lavorando in parallelo su tematiche correlate: il progetto AddMamBa della RWTH Aachen, ad esempio, studia l’uso di polveri metalliche derivate da rottame d’acciaio per la stampa 3D in edilizia, raggiungendo rese di recupero intorno al 60% (circa 30 kg di polvere utilizzabile da 50 kg di rottame processato). GKN Additive ha portato sul mercato acciai a bassa lega (DPLA e FSLA) progettati per la produzione additiva con proprietà comparabili all’acciaio bifase DP600. Il tema della tracciabilità e della composizione chimica del rottame metallico utilizzato come feedstock è una delle sfide tecniche centrali in tutti questi approcci.
Se DaMic raggiungerà i propri obiettivi, il risultato sarà una generazione di leghe metalliche progettate per essere performanti nel processo additivo, economicamente accessibili e reintegrabili nei cicli produttivi senza perdita significativa di qualità — un prerequisito per rendere la stampa 3D metallica compatibile con un’economia circolare a scala industriale.
