Una camera di combustione in rame stampata in 3D supera il test a caldo nonostante il raffreddamento limitato
Eplus3D e il gruppo studentesco UCL Rocket della University College London hanno completato un test a caldo su un prototipo di motore a propellente liquido dotato di una camera di combustione stampata in 3D in lega di rame-cromo-zirconio, indicata con la sigla CuCrZr.
La prova, eseguita il 24 giugno 2026, ha riguardato un motore progettato per sviluppare una spinta nominale di 7 kN e alimentato con ossigeno liquido, o LOX, come ossidante e alcol isopropilico, o IPA, come combustibile.
L’elemento centrale del sistema era una camera di combustione prodotta da Eplus3D mediante fusione laser a letto di polvere. Il componente integrava 57 canali interni destinati al raffreddamento rigenerativo, una configurazione difficile da realizzare mediante lavorazioni convenzionali e particolarmente adatta alla produzione additiva.
Il risultato del test deve però essere interpretato con cautela. Prima dell’accensione, UCL Rocket ha scoperto che una parte significativa dei canali di raffreddamento era ostruita da trucioli metallici derivanti dalle lavorazioni meccaniche finali. Il motore è stato quindi provato in condizioni ridotte, con un livello di potenza limitato e con una modifica alla composizione del combustibile.
La camera in CuCrZr ha comunque completato la sequenza di accensione senza mostrare deformazioni strutturali o erosioni termiche visibili. La prova ha confermato l’integrità iniziale del componente stampato, ma non può essere considerata una validazione completa del motore alla potenza nominale.
La collaborazione tra Eplus3D e UCL Rocket
UCL Rocket è il gruppo della University College London dedicato alla progettazione, alla costruzione e alla sperimentazione di razzi e sistemi di propulsione. Il team opera nell’ambito delle attività studentesche di UCL Racing e coinvolge studenti provenienti da diversi settori dell’ingegneria.
Il progetto permette agli studenti di lavorare su problemi tipici dell’industria aerospaziale, tra cui progettazione termica, fluidodinamica, sistemi di alimentazione, elettronica di controllo, sicurezza delle prove e produzione di componenti metallici complessi.
Eplus3D ha affiancato UCL Rocket come partner tecnologico per la produzione additiva. L’azienda, specializzata in sistemi industriali per la stampa 3D dei metalli, ha fornito sia le attrezzature sia il supporto necessario alla definizione del processo produttivo.
La collaborazione non nasce con il motore da 7 kN. Nel 2025 Eplus3D aveva già partecipato alla produzione di Excelsior, il primo motore bipropellente di UCL Rocket dotato di raffreddamento rigenerativo.
Excelsior utilizzava alcol isopropilico come combustibile e protossido di azoto come ossidante. La camera e l’ugello erano stati prodotti in lega di alluminio AlSi10Mg sulla piattaforma Eplus3D EP-M400S. Durante le prove organizzate nell’ambito della competizione britannica Race 2 Space, il motore aveva raggiunto una spinta prossima all’obiettivo di 5 kN e aveva completato tre accensioni.
Il nuovo progetto rappresenta un passaggio tecnico più impegnativo perché sostituisce il protossido di azoto con ossigeno liquido.
Il passaggio dal protossido di azoto all’ossigeno liquido
L’impiego di ossigeno liquido introduce condizioni operative differenti rispetto all’architettura utilizzata dal motore Excelsior. Il LOX deve essere conservato a temperature criogeniche e richiede particolare attenzione nella scelta dei materiali, nella pulizia dei componenti e nella gestione delle linee di alimentazione.
La presenza di ossigeno concentrato impone inoltre procedure rigorose per impedire che contaminanti, residui di lavorazione o sostanze incompatibili provochino reazioni indesiderate.
Il motore LOX-IPA sottopone la camera di combustione a flussi termici e gradienti di temperatura più elevati rispetto alla precedente configurazione. La parete interna della camera entra in contatto con gas di combustione ad alta temperatura, mentre il combustibile che attraversa i canali di raffreddamento mantiene la parte esterna della parete a una temperatura inferiore.
Questa differenza genera forti sollecitazioni termomeccaniche. Durante l’accensione e lo spegnimento, il materiale si espande e si contrae in tempi molto brevi. Una progettazione non corretta dei canali o una distribuzione irregolare del refrigerante possono determinare punti caldi, deformazioni locali, cricche oppure cedimenti della parete.
Per questo motivo una prova a caldo non serve soltanto a verificare l’accensione del motore. Consente anche di osservare il comportamento combinato della camera, dell’iniettore, del circuito di raffreddamento e del sistema di alimentazione.
Perché utilizzare la lega CuCrZr
Eplus3D ha prodotto la camera con una lega di rame contenente cromo e zirconio. Il CuCrZr viene utilizzato nei componenti sottoposti a elevati carichi termici perché combina una buona conducibilità termica con una resistenza meccanica superiore rispetto al rame puro.
Il rame trasferisce rapidamente il calore dalla superficie interna della camera verso i canali di raffreddamento. Il cromo e lo zirconio contribuiscono a migliorare la resistenza e la stabilità del materiale, soprattutto dopo trattamenti termici adeguati.
La scelta del materiale richiede comunque un compromesso. Una conducibilità termica elevata aiuta a distribuire il calore, ma rende più complessa la fusione della polvere mediante laser. Una parte dell’energia fornita viene infatti dispersa rapidamente nel materiale circostante.
Le leghe di rame possono inoltre riflettere una quota significativa della radiazione laser. Per ottenere una fusione stabile servono quindi potenze elevate, parametri di scansione controllati e una gestione accurata del bagno di fusione.
Il CuCrZr è studiato da diversi anni per camere di combustione, ugelli e sistemi di raffreddamento. Anche la NASA ha condotto test a caldo su rivestimenti di camere realizzati mediante produzione additiva con questa famiglia di leghe. Altri programmi della NASA impiegano leghe di rame della serie GRCop, mentre l’Agenzia Spaziale Europea e ArianeGroup hanno sviluppato componenti propulsivi stampati in 3D per ridurre il numero di parti e integrare circuiti di raffreddamento complessi.
Il progetto di Eplus3D e UCL Rocket si inserisce quindi in un percorso industriale già avviato, ma lo applica a un programma universitario con risorse, tempi e dimensioni differenti rispetto ai grandi progetti spaziali.
Una camera con 57 canali interni
La camera di combustione integra 57 canali attraverso i quali viene fatto circolare l’alcol isopropilico prima dell’iniezione. Il combustibile assorbe una parte del calore generato dalla combustione e limita la temperatura raggiunta dalla parete metallica.
Il sistema viene definito raffreddamento rigenerativo perché il fluido usato per sottrarre calore non viene eliminato. Dopo aver attraversato i canali, il combustibile raggiunge l’iniettore e partecipa alla combustione.
La forma, la sezione e il percorso dei canali devono essere progettati in funzione della distribuzione del calore lungo la camera e l’ugello. La zona della gola dell’ugello è generalmente sottoposta ai carichi termici più elevati e richiede una capacità di raffreddamento maggiore.
Canali troppo grandi possono ridurre lo spessore resistente della parete. Canali troppo piccoli possono invece generare perdite di carico elevate, risultare difficili da pulire o diventare vulnerabili a ostruzioni.
La produzione additiva permette di disporre i condotti vicino alla superficie interna e di modificarne progressivamente forma e orientamento. Una camera tradizionale con geometrie analoghe richiederebbe più componenti lavorati separatamente, successivamente assemblati mediante brasatura, saldatura o altri procedimenti.
La stampa in un unico componente riduce il numero delle giunzioni, ma non elimina la necessità di lavorazioni successive. Superfici di tenuta, flange, interfacce filettate e collegamenti con altri elementi del motore devono spesso essere rifiniti con macchine utensili.
Produzione sulla piattaforma Eplus3D EP-M300
Eplus3D ha realizzato la camera mediante il sistema EP-M300, configurato con laser da 1.000 W. La macchina utilizza un processo di fusione laser a letto di polvere, nel quale sottili strati di materiale metallico vengono distribuiti e fusi selettivamente secondo i dati del modello tridimensionale.
Una volta completata la costruzione, all’interno dei canali rimane una parte della polvere non fusa. La rimozione di questo materiale è un passaggio determinante, soprattutto quando i condotti sono lunghi, curvi e difficilmente accessibili.
Per il depowdering, Eplus3D ha impiegato il sistema EP-MC400. La macchina è progettata per facilitare l’estrazione della polvere dai componenti metallici e contenere l’esposizione degli operatori.
Il corretto svuotamento dei canali non conclude però il ciclo produttivo. Il componente deve essere sottoposto a controlli dimensionali, trattamenti termici, eventuali verifiche mediante tomografia computerizzata e lavorazioni meccaniche delle superfici funzionali.
La prova di UCL Rocket ha mostrato che un componente può superare correttamente la fase di stampa e di rimozione della polvere, ma essere contaminato durante una lavorazione eseguita in un momento successivo.
I trucioli metallici scoperti prima del test
Durante l’ispezione precedente all’accensione, UCL Rocket ha individuato trucioli metallici all’interno del circuito di raffreddamento. Secondo i dati comunicati dai partner, il materiale ostruiva circa il 33% dell’area attiva dei canali.
I residui non provenivano direttamente dalla polvere utilizzata durante la stampa. Erano stati generati dalla lavorazione sottrattiva finale eseguita sul componente.
La distinzione è importante perché evidenzia un rischio presente nei processi produttivi ibridi. La stampa 3D realizza la geometria principale, ma fresatura, foratura, filettatura e rettifica possono introdurre contaminanti in cavità che non sono accessibili con strumenti ordinari.
In una camera con raffreddamento rigenerativo, una riduzione della sezione di passaggio modifica la portata e la distribuzione del combustibile. Alcune zone possono continuare a ricevere una quantità sufficiente di refrigerante, mentre altre possono essere esposte a temperature superiori alle previsioni.
L’ostruzione può anche aumentare le perdite di pressione e alterare il funzionamento dell’intero circuito di alimentazione. Procedere direttamente con una prova alla potenza nominale avrebbe quindi aumentato il rischio di danneggiare la camera o provocare un’interruzione incontrollata del test.
La modifica del programma di prova
Dopo aver valutato il problema, UCL Rocket ha deciso di non annullare completamente la prova. Il gruppo ha modificato le condizioni operative per ridurre il carico termico sulla camera.
Il motore è stato impostato su una condizione di riferimento pari al 50% della regolazione prevista. Alla miscela di combustibile è stato inoltre aggiunto il 2% di polidimetilsilossano, conosciuto con la sigla PDMS, con l’obiettivo di contenere il trasferimento di calore verso la parete.
Queste misure hanno ridotto la severità della prova rispetto al funzionamento nominale. Hanno però consentito di verificare la sequenza di accensione, il comportamento del sistema criogenico, la risposta dell’iniettore e l’integrità della camera in presenza di un raffreddamento parzialmente compromesso.
La decisione mostra anche il ruolo delle ispezioni precedenti al test. Individuare l’ostruzione prima dell’accensione ha permesso al gruppo di modificare il programma sulla base di una condizione reale, anziché scoprire il problema attraverso il cedimento del componente.
La camera rimane integra dopo l’accensione
La sequenza di accensione è stata completata e la camera ha sopportato i carichi termici generati durante la prova. Al termine del test, Eplus3D e UCL Rocket non hanno rilevato segni visibili di erosione termica o deformazione strutturale.
Il risultato fornisce indicazioni positive sulla qualità del materiale, sulla continuità delle pareti stampate e sulla capacità della camera di tollerare almeno una prova condotta con potenza e durata controllate.
Non dimostra però che il componente sia pronto per operare stabilmente a 7 kN. Il motore non è stato provato nelle condizioni nominali previste dal progetto e l’aggiunta di PDMS ha modificato il comportamento termico rispetto alla configurazione originaria.
Per qualificare la camera saranno necessarie ulteriori prove con i canali completamente liberi, senza correttivi introdotti nel combustibile e con livelli di potenza progressivamente più elevati. Dovranno inoltre essere analizzati i dati di pressione, temperatura, portata, stabilità della combustione e distribuzione del raffreddamento.
Un’ispezione visiva può individuare danni evidenti, ma non esclude la presenza di microcricche, deformazioni interne o variazioni del materiale. Controlli non distruttivi e confronti dimensionali saranno quindi importanti per valutare lo stato effettivo del componente.
La lezione riguarda l’intera catena produttiva
Il test mette in evidenza un principio centrale per l’impiego della produzione additiva nel settore aerospaziale: la qualità non dipende esclusivamente dalla macchina di stampa.
La camera deve essere considerata il risultato di una catena che comprende progettazione per la produzione additiva, preparazione della polvere, fusione laser, trattamento termico, rimozione della polvere, lavorazione meccanica, pulizia, ispezione, montaggio e collaudo.
Un errore introdotto in una sola fase può compromettere il funzionamento di un componente prodotto correttamente nelle fasi precedenti. Nel caso di UCL Rocket, la presenza dei trucioli ha ridotto la capacità di raffreddamento di una camera che aveva superato la costruzione additiva e il depowdering.
Per componenti con canali interni non ispezionabili direttamente possono essere necessari lavaggi ad alta pressione, cicli a ultrasuoni, verifiche endoscopiche, prove di portata e tomografie computerizzate. È inoltre opportuno progettare le operazioni di lavorazione meccanica in modo da impedire che i trucioli entrino nei condotti.
La lezione riguarda sia i progetti universitari sia la produzione industriale. La possibilità di stampare una geometria complessa non elimina la necessità di definire procedure ripetibili per tutte le operazioni che seguono la costruzione.
Un risultato utile, ma non ancora una qualificazione completa
La prova del 24 giugno 2026 rappresenta un passaggio concreto nello sviluppo del motore criogenico di UCL Rocket. Eplus3D ha dimostrato di poter produrre una camera in CuCrZr con 57 canali interni, mentre il gruppo della University College London ha completato la propria prima accensione di un motore raffreddato rigenerativamente basato sulla combinazione LOX-IPA.
Il valore principale del test non consiste soltanto nell’assenza di danni visibili. La campagna ha fornito informazioni sulla sensibilità del sistema di raffreddamento, sulle procedure di pulizia e sulle conseguenze delle lavorazioni meccaniche successive alla stampa.
Il prossimo obiettivo sarà ripetere le prove con un circuito completamente libero e avvicinare il motore alle condizioni nominali di funzionamento. Solo una serie di accensioni progressive potrà stabilire la durata della camera, la stabilità del sistema e la capacità di sostenere il livello di spinta previsto dal progetto.
La collaborazione tra Eplus3D e UCL Rocket conferma così l’utilità della produzione additiva per realizzare hardware propulsivo complesso, ma ricorda anche che la stampa costituisce soltanto una fase del processo. Per trasformare un componente sperimentale in un sistema affidabile servono controllo della produzione, ispezioni approfondite e prove condotte in condizioni rappresentative.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
