Divergent studia campi magnetici dinamici per controllare il bagno di fusione nella stampa 3D metallica

Nella produzione additiva metallica una parte decisiva delle proprietà finali del componente si determina in una regione grande appena una frazione di millimetro e che rimane liquida per un tempo estremamente breve: il bagno di fusione, o melt pool. Divergent Technologies sta studiando la possibilità di intervenire direttamente su questa fase applicando campi magnetici dinamici durante il processo di fusione. Una domanda di brevetto statunitense pubblicata il 10 settembre 2026 descrive infatti un sistema nel quale bobine elettromagnetiche controllate indipendentemente generano campi variabili capaci di interagire con le correnti termoelettriche presenti nel metallo liquido. L’obiettivo dichiarato è modificare il moto del materiale nel bagno, influenzare la solidificazione, frammentare determinate strutture dendritiche e potenzialmente ridurre porosità, cricche e anisotropia microstrutturale.

È importante definire immediatamente lo stato della tecnologia. Il documento US20260264149A1, intitolato “Additive Manufacturing with Dynamic Magnetic Fields”, è una domanda di brevetto pubblicata, non un brevetto statunitense già concesso. L’application statunitense 19/555,163 è stata depositata il 3 marzo 2026 e rivendica la priorità di una domanda provvisoria del 3 marzo 2025 denominata “Microstructure and Crack Mitigation via Dynamic Magnetic Fields”. Gli inventori indicati sono Gordon Tajiri, Taiki Thomas Shirai e Son Vi Quang; l’assegnatario è Divergent Technologies, Inc. Essere descritta in una domanda di brevetto non significa inoltre che la soluzione sia già implementata sulle macchine di produzione dell’azienda, né che le prestazioni prospettate siano state certificate o validate indipendentemente.

Perché il bagno di fusione è così importante nella Laser Powder Bed Fusion

Nei processi Laser Powder Bed Fusion, LPBF, un fascio laser percorre selettivamente uno strato di polvere metallica producendo minuscoli bagni di metallo fuso. Dopo il passaggio del laser il materiale si raffredda e solidifica con velocità molto elevate. Questo ciclo viene ripetuto strato dopo strato fino alla costruzione del componente. Il procedimento appare semplice nella sua descrizione generale, ma la fisica del melt pool è estremamente complessa. All’interno del bagno agiscono simultaneamente gradienti termici, tensione superficiale, pressione di rinculo dovuta all’evaporazione, gravità, interazione fra laser e materiale, flusso Marangoni e, in determinate condizioni, instabilità associate alla formazione di keyhole.

La superficie del bagno non è quindi ferma. Il metallo liquido circola a velocità che possono essere molto elevate rispetto alle dimensioni microscopiche della zona interessata. Cambiare anche solo leggermente la distribuzione delle temperature o delle forze agenti sul liquido può modificare larghezza e profondità del melt pool, modalità di solidificazione, orientamento dei grani e formazione dei difetti.

Uno dei problemi tipici è proprio la relazione tra gradiente termico e crescita dei cristalli. Durante la solidificazione possono formarsi strutture ramificate dette dendriti. La loro presenza non costituisce automaticamente un difetto: la solidificazione dendritica è un fenomeno normale in numerose leghe. Il problema nasce quando la combinazione fra elevati gradienti termici, orientamento preferenziale e crescita epitassiale produce microstrutture fortemente colonnari, segregazioni o condizioni favorevoli alla formazione di cricche.

Non è quindi tecnicamente corretto affermare semplicemente che “le dendriti producono pori e cricche”. Porosità e cracking nella LPBF hanno origini differenti. I pori possono essere causati, per esempio, da fusione incompleta, instabilità del keyhole, gas intrappolato o caratteristiche della polvere; le cricche possono dipendere da composizione della lega, intervallo di solidificazione, tensioni residue, fenomeni di hot cracking e microstruttura. L’intervento magnetico proposto da Divergent punta ad agire su alcune delle condizioni che contribuiscono alla formazione di questi difetti, non a eliminare indistintamente ogni possibile meccanismo.

Il principio fisico: corrente termoelettrica più campo magnetico

Il cuore della proposta è la cosiddetta forza termoelettromagnetica, indicata nella documentazione tecnica come TEMF, Thermal Electromagnetic Force. Nel melt pool sono presenti gradienti di temperatura estremamente elevati. Le differenze di temperatura e di proprietà termoelettriche fra fase liquida e fase solida possono generare correnti elettriche attraverso l’effetto Seebeck. Se queste correnti attraversano una regione sottoposta a un campo magnetico, nasce una forza di Lorentz.

In forma semplificata, la relazione fondamentale è:

F = J × B

dove J rappresenta la densità di corrente elettrica e B il campo magnetico. La forza risultante è perpendicolare sia alla direzione della corrente sia a quella del campo magnetico. Nel sistema descritto da Divergent questo fenomeno viene utilizzato per generare o modificare il movimento del metallo liquido all’interno del melt pool.

Il brevetto propone dunque qualcosa di più sofisticato rispetto al semplice posizionamento di un magnete accanto alla camera di costruzione. Il campo può essere variato nel tempo, invertito, pulsato e distribuito spazialmente attraverso più bobine controllabili separatamente. Fra le forme d’onda contemplate compaiono impulsi quadrati, a dente di sega, semisinusoidali e segnali periodicamente invertiti.

Non si tratta semplicemente di “mescolare” il metallo

L’immagine intuitiva è quella di un cucchiaio invisibile che agita il metallo liquido, ma questa analogia rischia di semplificare troppo il fenomeno. Il bagno LPBF è molto piccolo, evolve nell’ordine dei microsecondi o millisecondi e presenta campi di temperatura e velocità fortemente non uniformi. Inoltre il campo magnetico non agisce sul metallo esattamente come una forza meccanica applicata dall’esterno: interagisce con le correnti elettriche presenti nel materiale e genera una distribuzione di forze volumetriche.

L’effetto può persino cambiare direzione in funzione del materiale, dell’intensità del campo e della configurazione del processo. La letteratura scientifica sulla LPBF assistita magneticamente mostra infatti che un campo esterno può sia favorire sia frenare determinati moti convettivi.

Uno studio pubblicato sull’Inconel 718 ha modellato contemporaneamente l’effetto di frenatura magnetica e le forze termoelettromagnetiche. I ricercatori hanno rilevato che il primo tendeva a sopprimere la convezione Marangoni, mentre la forza termoelettromagnetica poteva promuovere il moto del liquido. Nelle simulazioni considerate, campi statici da 0,1 e 0,3 T riducevano il flusso, mentre a 0,5 T il comportamento cambiava nuovamente. Questo è un esempio importante perché mostra che “più campo magnetico” non equivale automaticamente a “migliore processo”.

Divergent punta sulla frammentazione delle dendriti

Un aspetto particolarmente interessante della domanda di brevetto riguarda la solidificazione. Il movimento generato nel liquido dovrebbe creare anche un flusso di ritorno fra le dendriti che stanno crescendo. Secondo la descrizione brevettuale, le forze esercitate da questo flusso potrebbero provocare microfratture sui bracci dendritici.

I frammenti solidi risultanti potrebbero diventare nuovi nuclei di solidificazione. Aumentando il numero dei siti di nucleazione, sarebbe teoricamente possibile ridurre la dominanza di pochi grani colonnari e favorire una struttura composta da grani più fini ed equiassici.

Il passaggio da grani prevalentemente colonnari a grani equiassici, noto come columnar-to-equiaxed transition, è un tema molto studiato nella metallurgia della produzione additiva perché può contribuire alla riduzione dell’anisotropia del materiale.

La relazione non deve però essere trasformata in una regola universale secondo cui “grano più fine significa sempre componente migliore”. Dimensione, morfologia e orientamento dei grani interagiscono con composizione della lega, precipitazioni, trattamenti termici e modalità di carico. Le proprietà desiderabili per una lega di alluminio destinata a una struttura automobilistica possono essere differenti da quelle richieste a una superlega di nichel sottoposta ad alta temperatura.

La letteratura scientifica indica che il principio è plausibile

L’impiego di campi magnetici per controllare la solidificazione dei metalli non nasce con la domanda Divergent. L’electromagnetic stirring viene utilizzato e studiato da decenni nella metallurgia convenzionale e nella colata continua, mentre negli ultimi anni diversi gruppi di ricerca hanno trasferito concetti analoghi alla produzione additiva.

Uno studio del 2026 sull’acciaio inossidabile 316L prodotto mediante LPBF ha utilizzato campi magnetici statici fino a 0,3 T. I ricercatori hanno osservato modificazioni della geometria del melt pool e della texture cristallografica. Con una configurazione parallela alla direzione di costruzione il bagno di fusione risultava più largo e meno profondo e la texture preferenziale veniva attenuata. Lo stesso studio ha però registrato anche una riduzione di circa 22 MPa della resistenza allo snervamento nella configurazione analizzata. È un’ulteriore dimostrazione del fatto che intervenire sulla microstruttura non produce automaticamente un miglioramento simultaneo di tutte le proprietà.

Risultati particolarmente significativi sono stati pubblicati anche nel 2026 sulla LPBF dello zinco. In quel caso il campo magnetico statico ha prodotto, secondo gli autori, forze termoelettromagnetiche dell’ordine di 10⁶ N/m³, sufficienti a favorire la frammentazione delle dendriti colonnari e la nucleazione eterogenea. Nei provini esaminati l’indice di anisotropia della resistenza allo snervamento è sceso dal 18,63% al 2,46%, mentre quello relativo all’allungamento è passato dal 16,49% al 2,58%.

Questi risultati sono scientificamente interessanti, ma non costituiscono una validazione diretta del sistema Divergent. Materiali, geometria del campo, macchina, parametri di processo e modalità di applicazione differiscono. Dimostrano piuttosto che il meccanismo fisico sul quale si basa la domanda di brevetto ha precedenti sperimentali credibili.

Campo statico e campo dinamico non sono la stessa cosa

È proprio qui che la soluzione proposta da Divergent diventa particolare. Gran parte degli studi scientifici disponibili utilizza campi magnetici statici. Il documento dell’azienda punta invece esplicitamente su un campo dinamico controllabile.

La differenza non è trascurabile. Con un campo statico intensità e orientamento rimangono sostanzialmente costanti. Utilizzando bobine elettromagnetiche segmentate diventa invece teoricamente possibile modificare il campo in funzione del tempo e della posizione del fascio.

La domanda contempla campi orientati sia normalmente sia parallelamente rispetto al piano di costruzione e sistemi con più bobine indipendenti attorno al cilindro di costruzione. In linea teorica il controller potrebbe quindi modificare l’interazione magnetica mentre il laser attraversa zone differenti del componente.

Potrebbe diventare una nuova variabile del processo LPBF da affiancare a potenza laser, velocità di scansione, hatch spacing, spessore dello strato, strategia di scansione e temperatura della piattaforma.

Ciò comporterebbe però anche un aumento significativo della complessità. Invece di individuare soltanto una finestra ottimale di parametri laser, bisognerebbe determinare intensità, direzione, frequenza e forma d’onda del campo magnetico appropriati per ogni combinazione di materiale e strategia di processo.

Una piattaforma di costruzione progettata per guidare il campo

La domanda di brevetto non si limita alle bobine. Viene descritta anche la possibilità di modificare la struttura della macchina per controllare il percorso del flusso magnetico. In alcune configurazioni la build plate può comprendere nichel, leghe di nichel, cobalto, ferro o altri materiali ad alta permeabilità magnetica, mentre altre zone del cilindro possono utilizzare materiali relativamente poco permeabili come acciaio inossidabile o alluminio.

L’obiettivo è analogo a quello utilizzato nei circuiti magnetici: offrire al flusso un percorso preferenziale e concentrare il campo dove è effettivamente necessario.

Il brevetto contempla inoltre bobine associate alle zone di ingresso e di estrazione del gas della camera. Questa configurazione apre la possibilità di controllare non soltanto il metallo liquido ma, direttamente o indirettamente, anche fenomeni legati all’ambiente della camera e alla gestione del flusso sopra il letto di polvere.

È tuttavia un’area nella quale bisogna evitare conclusioni premature. Inserire elettromagneti vicino a una camera LPBF comporta problemi di gestione termica, ingombro, schermatura, interferenze con altri sottosistemi, consumo energetico e controllo della temperatura delle bobine.

Porosità: cosa potrebbe migliorare e cosa probabilmente no

La documentazione brevettuale attribuisce alla soluzione la possibilità di ridurre i difetti porosi. Anche in questo caso è necessario distinguere i diversi meccanismi.

Un movimento controllato del melt pool può facilitare il trasporto di gas o modificare la stabilità del bagno e quindi influenzare alcune forme di porosità. Studi indipendenti sull’Inconel 718 hanno effettivamente riportato una riduzione di pori e spatter utilizzando determinate intensità del campo magnetico.

Non tutti i pori, però, hanno la stessa origine. Una densità di energia insufficiente può produrre lack-of-fusion, cioè regioni nelle quali particelle e tracce adiacenti non vengono fuse correttamente. All’estremo opposto, una densità energetica elevata può creare una cavità di vapore profonda e instabile, il cosiddetto keyhole, che collassando può intrappolare gas. A questo si aggiungono porosità già presenti nelle particelle atomizzate e contaminazioni.

Un campo magnetico può modificare alcune delle condizioni fluidodinamiche coinvolte, ma non sostituisce un corretto controllo di polvere, atmosfera, potenza laser e strategia di scansione.

Cricche e tensioni residue

La richiesta di brevetto cita anche la possibile riduzione delle cricche e il miglioramento della resistenza, della duttilità e dell’allungamento. La relazione è plausibile ma complessa.

L’LPBF comporta cicli di riscaldamento e raffreddamento estremamente rapidi, con elevati gradienti termici che possono generare tensioni residue. Alcune leghe sono inoltre intrinsecamente più sensibili all’hot cracking durante la solidificazione.

Raffinare i grani e alterarne l’orientamento può modificare il modo in cui queste tensioni vengono distribuite e può, per determinate leghe, ridurre la suscettibilità alla formazione di cricche. Ma la prestazione finale rimane funzione dell’intera catena produttiva: materia prima, processo di stampa, orientamento del pezzo, eventuale trattamento HIP, trattamento termico, lavorazioni meccaniche e finitura superficiale.

Di conseguenza, una macchina dotata di controllo magnetico non produrrebbe automaticamente componenti privi di cricche né renderebbe superflui qualificazione e post-processing.

Dalla proprietà intellettuale alla produzione industriale c’è ancora una distanza importante

Il punto forse più importante è distinguere ciò che il brevetto descrive da ciò che Divergent ha pubblicamente dimostrato in produzione. La domanda contiene architetture di macchina, equazioni, modalità di controllo e ipotesi sui benefici microstrutturali. Al momento della pubblicazione, tuttavia, non costituisce una dichiarazione ufficiale secondo cui tutte le stampanti utilizzate nelle fabbriche Divergent impieghino questa tecnologia.

Non risulta neppure dalla documentazione pubblicamente disponibile una serie completa di prove comparative — con e senza campo magnetico dinamico — comprendente, per esempio, tomografia computerizzata per la misura della porosità, EBSD per l’orientamento cristallografico, analisi metallografica della dimensione dei grani, prove di trazione, fatica e fracture toughness su componenti realizzati con la stessa lega e gli stessi parametri.

Sono proprio questi dati che permetterebbero di passare da un principio brevettato a una tecnologia industriale quantitativamente valutabile.

Perché la tecnologia sarebbe particolarmente interessante per Divergent

La scelta di approfondire il controllo microstrutturale durante la stampa è coerente con il modello produttivo di Divergent Technologies. L’azienda di Los Angeles sviluppa il Divergent Adaptive Production System, DAPS, una piattaforma che integra progettazione algoritmica, produzione additiva metallica e assemblaggio robotizzato di strutture complesse. La tecnologia viene applicata in ambito automobilistico e in altre applicazioni industriali, comprese quelle aerospace e defense.

La società collegata Czinger Vehicles costituisce una dimostrazione visibile di questa impostazione: nella 21C Spyder presentata nell’agosto 2026, Czinger dichiara che il 23% del veicolo è prodotto attraverso additive manufacturing sfruttando processi sviluppati dalla società sorella Divergent Technologies. Strutture di questo genere spostano il problema della stampa 3D ben oltre la semplice realizzazione di geometrie complesse. Per produrre componenti strutturali in serie diventa essenziale poter controllare ripetibilità, proprietà metallurgiche e distribuzione dei difetti.

Da questo punto di vista il campo magnetico potrebbe rappresentare un ulteriore “grado di libertà” del processo.

Da controllare il laser a controllare la solidificazione

La produzione additiva metallica ha compiuto una prima fase di sviluppo concentrandosi soprattutto sulla capacità di fondere correttamente la polvere. Una seconda fase ha riguardato l’aumento di produttività attraverso laser multipli, maggiore potenza, larger build volumes e strategie di scansione più sofisticate. La direzione indicata da tecnologie come quella descritta da Divergent suggerisce un ulteriore passaggio: non limitarsi a controllare quanta energia viene fornita, ma intervenire direttamente sulla fisica della solidificazione mentre questa avviene.

Il campo magnetico potrebbe così diventare una variabile di processo analoga alla potenza laser. Una determinata regione del componente potrebbe teoricamente essere prodotta con un certo schema magnetico, un’altra con parametri differenti. In prospettiva ciò apre perfino alla possibilità di controllare localmente la microstruttura anziché limitarsi a ottenere una geometria diversa.

È però una prospettiva, non una capacità industriale già dimostrata dalla pubblicazione del brevetto.

Una maggiore controllabilità porta anche una maggiore complessità

Il vantaggio teorico dei campi dinamici è allo stesso tempo uno dei principali ostacoli all’industrializzazione. Una macchina LPBF è già un sistema altamente multivariabile. Aggiungere un campo magnetico significa introdurre nuovi parametri: intensità, orientamento, frequenza, forma d’onda, fase, posizione relativa rispetto al laser e distribuzione spaziale.

Questi parametri possono interagire con velocità di scansione, potenza del fascio e proprietà termoelettriche della lega. Una ricetta sviluppata per un acciaio potrebbe non essere trasferibile a una lega di alluminio, titanio o nichel.

Sarebbe inoltre necessario dimostrare la ripetibilità del campo magnetico su tutto il volume di costruzione. Una soluzione che produce risultati differenti fra centro e bordo della piattaforma sarebbe problematica per la produzione certificata. Proprio per questo l’impiego di bobine segmentate indipendenti descritto da Divergent potrebbe essere importante: permetterebbe almeno teoricamente di compensare le differenze spaziali del campo.

Il vero traguardo sarebbe la microstruttura programmabile

Se il sistema riuscisse a essere controllato con sufficiente precisione, la conseguenza più interessante non sarebbe semplicemente la riduzione dei difetti. Si potrebbe iniziare a considerare la microstruttura come una variabile progettuale.

Oggi un progettista definisce soprattutto la geometria del componente, mentre il metallurgista e l’ingegnere di processo cercano parametri capaci di produrlo con proprietà accettabili. Un sistema nel quale energia laser, campo magnetico e condizioni di solidificazione possano essere coordinati apre invece alla possibilità di progettare contemporaneamente geometria e microstruttura.

È un obiettivo notevolmente più ambizioso della semplice “stampa di metallo con magneti”. Richiederebbe modelli fisici affidabili, monitoraggio in-process, algoritmi di controllo e una quantità elevata di dati sperimentali. Richiederebbe inoltre una qualificazione specifica per ciascun materiale e famiglia di componenti.

La domanda di brevetto di Divergent mostra però con chiarezza in quale direzione potrebbe evolvere una parte della produzione additiva metallica: dalla regolazione dei parametri della macchina verso il controllo diretto dei fenomeni che avvengono dentro il melt pool. La possibilità di manipolare con campi magnetici il movimento del metallo, la nucleazione e la crescita dei grani ha basi scientifiche già dimostrate in diversi studi. Rimane da determinare quanto efficacemente Divergent riuscirà a trasformare questo principio in un processo produttivo ripetibile, scalabile e qualificabile.

Ed è proprio questa distinzione a rendere il brevetto interessante: non perché dimostri che il problema dei difetti nella LPBF sia stato risolto, ma perché indica un possibile nuovo livello di controllo sulla solidificazione del metallo, in una fase del processo che fino a pochi anni fa veniva governata quasi esclusivamente attraverso energia laser, temperatura e strategia di scansione.

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