Elettroscoria + stampa 3D: ORNL dimostra ESAM per produrre grandi componenti metallici ad alta produttività
L’idea di usare la stampa 3D per realizzare componenti metallici di grandi dimensioni si scontra spesso con un limite pratico: la velocità di deposizione, soprattutto quando si cercano proprietà meccaniche affidabili e ripetibili su geometrie “pesanti”. Un gruppo di ricerca dell’Oak Ridge National Laboratory (ORNL), insieme al partner industriale ARC Specialties, ha presentato una strada alternativa: Electroslag Additive Manufacturing (ESAM), un processo ibrido progettato per spingere il tasso di deposizione ben oltre quello tipico dei sistemi wire-arc convenzionali, mirando a componenti grandi e “near-net-shape” (vicini alla forma finale) per settori come l’energia e l’industria pesante.
Che cos’è ESAM e perché nasce da una logica “welding + contenimento”
ESAM combina due famiglie di processi: da un lato l’Electroslag Strip Cladding (ESC), una tecnica di cladding/saldatura con altissimi apporti (tipicamente usata per riporti e rivestimenti), dall’altro un processo wire-arc per costruire porzioni geometriche con maggior controllo. Il problema storico dell’ESC in ottica additiva è la gestione del bagno fuso e della scoria: senza contenimento, il processo diventa difficile da “impilare” in modo controllato. La soluzione mostrata da ORNL consiste nel costruire prima pareti di contenimento tramite GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) – una variante arc-based a elevata qualità del cordone – e poi usare ESC per riempire la regione delimitata dalle pareti. In pratica: la precisione dell’arco serve a “disegnare” i bordi, l’elettroscoria serve a depositare rapidamente grandi volumi.
Il materiale di prova: Alloy 625 (Inconel 625) e il confronto con il “cast”
Per verificare la fattibilità del processo, gli autori hanno lavorato su Alloy 625 (Inconel 625), una superlega a base nichel ampiamente utilizzata in ambienti corrosivi e ad alte temperature (impianti energetici, chimica, oil & gas, componenti soggetti a corrosione e fatica). La scelta è significativa perché consente un confronto concreto con filiere industriali consolidate (colata e forgiatura), soprattutto quando si punta a pezzi massivi. Nello studio e nella dimostrazione riportata, ORNL indica proprietà meccaniche comparabili a quelle del materiale prodotto per colata, insieme a una microstruttura coerente con i parametri di deposizione e con gli effetti di diluizione dal substrato.
Prima fase: provare ESC “da solo” in contesto additivo e capire come impilare i cordoni
Prima della configurazione convergente (pareti GTAW + infill ESC), il gruppo ha valutato ESC come processo additivo “standalone”, confrontando due strategie di stacking dei cordoni: direct stacking (ESAM-D) e staggered stacking (ESAM-S). L’analisi microstrutturale evidenzia una texture marcata lungo la direzione di costruzione, mentre la diluizione di ferro dal substrato in acciaio tende a rimanere soprattutto nel primo strato depositato. Dal punto di vista meccanico, nel confronto riportato la strategia “direct” mostra resistenze leggermente superiori, mentre la “staggered” risulta più duttile; gli autori collegano la differenza a come varia la diluizione e ai meccanismi di deformazione conseguenti. Questa fase è cruciale perché, in un processo ad alta produttività, la ripetibilità dipende molto da come si gestiscono cordoni, sovrapposizioni e cicli termici.
Dimostrazione “convergente”: pareti GTAW e riempimento ESC su geometria anulare
La dimostrazione più rappresentativa è un componente anulare: prima vengono realizzate le pareti con GTAW, poi lo spazio interno viene riempito con ESC. L’obiettivo è verificare due aspetti: (1) se il contenimento consente davvero di controllare la deposizione ad alta portata, (2) se l’interfaccia tra regioni prodotte con processi diversi introduce discontinuità di proprietà. Nelle misure riportate (tra cui nanoindentazione e osservazioni microstrutturali), ORNL indica che le pareti GTAW non degradano le prestazioni del materiale depositato con ESC: durezza e modulo elastico risultano consistenti attraversando le regioni GTAW, ESC e la loro interfaccia, con segnali limitati di accumulo di deformazione plastica locale.
I numeri di produttività: kg/h e confronto con WAAM a filo
Il punto chiave di ESAM è la produttività. Nelle prove riportate, la deposizione basata su ESC arriva a circa 22,7 kg/h nelle configurazioni ESC-only e a circa 11,3 kg/h per l’infill ESC nella configurazione convergente. ORNL riporta questi valori come 3–6 volte superiori rispetto a WAAM alimentato a filo, mantenendo prestazioni meccaniche paragonabili nel caso studiato su Alloy 625. In prospettiva industriale, questa differenza di produttività è ciò che potrebbe rendere plausibile l’uso additivo per componenti multi-tonnellata oggi spesso affidati a colate/forgiati, soprattutto quando il costo e il tempo di realizzazione degli stampi o delle lavorazioni diventano dominanti.
Il ruolo di ARC Specialties e il legame con il know-how su elettroscoria e overlay
La presenza di ARC Specialties come partner industriale segnala un orientamento applicativo: la tecnologia ESC è ben nota nel mondo dei riporti e degli overlay, dove l’attenzione è spesso su tassi di deposizione elevati e controllo della chimica del deposito. Passare da overlay a “costruzione volumetrica” richiede però un controllo diverso della geometria e del bagno fuso: da qui l’approccio convergente con pareti arc-based. In questo senso, ESAM prova a riutilizzare una tecnologia molto produttiva già adottata in contesti industriali, ma spostandola verso una logica additiva di produzione “near-net-shape”.
Dalla dimostrazione al sistema automatizzato: workcell robotica e possibilità future
ORNL indica che il passo successivo è una workcell robotica che integri in modo coordinato sistemi ESC e processi ad arco (viene citata l’integrazione con architetture come GMAW oltre a ESC, a seconda delle configurazioni). Le direzioni di sviluppo citate includono: realizzazione di provini più grandi, campagne di test meccanici su scala più vicina al componente reale, e funzionalità come in-situ alloying e material grading (variazione controllata della composizione o delle proprietà lungo il componente). Questo orientamento è coerente con l’obiettivo di produrre componenti grandi per energia e industria, dove la disponibilità della catena di fornitura e i tempi di produzione possono diventare variabili critiche.
IP e standardizzazione: segnali da brevetti e pubblicazioni
Oltre all’articolo scientifico e alle schede ORNL, compaiono anche documenti brevettuali che descrivono sistemi e metodi per “electroslag additive manufacturing”, inclusi schemi di processo con movimentazioni controllate del componente durante la deposizione. Anche senza entrare nei dettagli di rivendicazioni e prior art, questo tipo di documentazione segnala che la comunità sta ragionando su come rendere il processo una piattaforma industriale ripetibile, non solo una dimostrazione di laboratorio.
