Un accordo per portare la stampa 3D metallica nei componenti strutturali del F135
GKN Aerospace e Pratt & Whitney, società controllata dal gruppo RTX, hanno avviato un programma congiunto per valutare l’impiego della manifattura additiva nella produzione di grandi componenti strutturali destinati al motore aeronautico F135.
Il progetto è regolato da un Technology Development Agreement e riceve il sostegno della Norwegian Defence Materiel Agency, l’agenzia responsabile dell’acquisizione e della gestione dei materiali per la difesa norvegese.
L’obiettivo è dimostrare che un carter motore di grandi dimensioni possa essere costruito attraverso un processo additivo basato sulla deposizione di filo metallico mediante laser. GKN Aerospace e Pratt & Whitney puntano a completare un primo dimostratore in scala reale nel 2027 e ad arrivare a un prodotto certificato entro la fine del 2028.
Il programma non riguarda quindi una semplice attività di laboratorio. GKN Aerospace e Pratt & Whitney vogliono verificare se la tecnologia possa essere inserita in una catena produttiva aeronautica sottoposta a requisiti severi di qualità, tracciabilità e ripetibilità.
Il componente dovrà inoltre essere compatibile e intercambiabile con il progetto esistente del motore F135. Questo requisito indica che Pratt & Whitney non intende modificare l’intera architettura del propulsore per adattarla al nuovo metodo produttivo. Il componente additivo dovrà rispettare gli ingombri, le interfacce, le tolleranze e le funzioni previste dalla configurazione già in servizio.
Il ruolo del motore F135 nel programma F-35
Il F135 è il sistema propulsivo sviluppato da Pratt & Whitney per il caccia F-35 Lightning II, prodotto da Lockheed Martin. Il motore viene utilizzato nelle tre varianti principali del velivolo: F-35A a decollo e atterraggio convenzionale, F-35B a decollo corto e atterraggio verticale e F-35C destinato alle portaerei.
Le configurazioni del motore cambiano in funzione della variante dell’aereo, ma condividono una stessa architettura di base. La standardizzazione permette al programma F-35 di mantenere una piattaforma propulsiva comune, pur rispondendo a esigenze operative differenti.
Il F135 deve operare in condizioni caratterizzate da temperature elevate, pressioni considerevoli, forti sollecitazioni meccaniche e continui cicli termici. I componenti strutturali del motore devono contenere e collegare i diversi moduli, mantenendo allineamento e stabilità durante il funzionamento.
Il comunicato di GKN Aerospace e Pratt & Whitney non identifica il modulo preciso del carter coinvolto nel progetto. L’assenza di questa informazione impedisce di stabilire quali temperature e carichi specifici dovrà sopportare il dimostratore. È comunque chiaro che la produzione di una struttura di grandi dimensioni per il F135 richiederà controlli molto più articolati rispetto alla stampa di piccoli supporti, staffe o componenti secondari.
Come funziona la tecnologia L-DED-w scelta da GKN Aerospace
Lo sviluppo sarà guidato dal centro GKN Aerospace di Kongsberg, in Norvegia. L’impianto utilizzerà il processo proprietario indicato come laser-directed energy deposition with wire, abbreviato L-DED-w.
La tecnologia appartiene alla famiglia Directed Energy Deposition. Durante la lavorazione, un filo metallico viene alimentato verso una zona di deposizione, dove l’energia del laser fonde il materiale. Il metallo solidifica formando un cordone. La sovrapposizione programmata dei cordoni consente di costruire progressivamente la geometria tridimensionale.
Il principio è differente da quello delle macchine laser powder bed fusion, nelle quali un laser fonde selettivamente sottili strati di polvere distribuiti all’interno di un piano di lavoro.
La laser DED con filo è adatta soprattutto a componenti di grandi dimensioni e geometria medio-complessa. Il processo può depositare quantità di materiale superiori rispetto a molte tecnologie basate su letto di polvere e non è vincolato alle dimensioni di una camera di costruzione chiusa nello stesso modo delle macchine powder bed fusion.
Il risultato della deposizione viene normalmente definito near-net shape: il pezzo si avvicina alla geometria finale, ma alcune superfici e caratteristiche devono essere completate attraverso lavorazioni meccaniche.
Per il carter del F135, GKN Aerospace dovrà quindi integrare deposizione, controllo termico, eventuali trattamenti termici, fresatura, ispezioni dimensionali e controlli non distruttivi. La stampa rappresenta una fase centrale della produzione, ma non coincide con l’intero processo industriale.
Perché produrre un carter con filo metallico e laser
I grandi componenti aeronautici sono spesso ottenuti partendo da fusioni, forgiati o piastre di dimensioni superiori rispetto al pezzo finale. Una parte consistente del materiale viene eliminata attraverso operazioni di taglio e lavorazione meccanica.
Questo approccio può generare rapporti buy-to-fly elevati. Il rapporto buy-to-fly confronta la quantità di materiale acquistato con quella che rimane nel componente finito. Se per produrre una parte da cento chilogrammi è necessario partire da un semilavorato da cinquecento chilogrammi, il rapporto buy-to-fly è pari a cinque.
La produzione additiva permette di depositare il materiale soltanto nelle aree previste dal modello digitale, riducendo la quantità che deve essere rimossa. Il vantaggio può essere rilevante con leghe costose come quelle di titanio o a base di nichel.
GKN Aerospace e Pratt & Whitney intendono inoltre verificare se la nuova tecnica possa ridurre i tempi di approvvigionamento. Fusioni e forgiati di grandi dimensioni richiedono attrezzature dedicate, fornitori specializzati e pianificazioni produttive estese. La disponibilità di un numero limitato di fornitori può creare colli di bottiglia quando aumentano gli ordini o quando un impianto incontra problemi.
Una cella L-DED-w qualificata potrebbe ridurre la dipendenza da alcuni semilavorati e permettere una maggiore flessibilità nella gestione dei volumi. Il vantaggio dipenderà comunque dalla velocità di deposizione, dal costo del filo, dal numero di lavorazioni successive e dal tasso di scarto raggiunto durante la produzione.
La sfida principale è il controllo del calore
La produzione di un componente di grandi dimensioni non consiste soltanto nell’aumentare il volume di materiale depositato.
Ogni passaggio del laser crea un bagno di fusione e trasferisce calore al componente. Durante la crescita del pezzo, le zone già depositate subiscono cicli ripetuti di riscaldamento e raffreddamento. Questi cicli influenzano la microstruttura, le proprietà meccaniche, le tensioni residue e la stabilità dimensionale.
Una distribuzione non uniforme del calore può provocare deformazioni o differenze nelle caratteristiche del materiale tra una zona e l’altra. Il problema diventa più difficile da controllare quando aumentano il diametro, l’altezza e la massa del componente.
GKN Aerospace dovrà definire parametri precisi per la potenza del laser, la velocità di avanzamento, il flusso del materiale, la distanza della testa di deposizione e la strategia con cui vengono costruiti i diversi strati.
Il monitoraggio del bagno di fusione può fornire dati sulla dimensione e sulla stabilità della zona liquida. Telecamere, sensori termici e sistemi di controllo possono rilevare deviazioni durante il processo e permettere di correggere alcuni parametri.
Per una parte destinata al F135, tuttavia, il monitoraggio non potrà sostituire le ispezioni sul componente. GKN Aerospace e Pratt & Whitney dovranno dimostrare una correlazione affidabile tra i dati raccolti durante la deposizione, la microstruttura ottenuta e le prestazioni meccaniche finali.
Compatibilità con il progetto esistente
La decisione di mantenere la piena intercambiabilità con il motore attuale limita la libertà di riprogettazione, ma riduce le conseguenze sul resto del programma F135.
La manifattura additiva viene spesso associata alla possibilità di creare canali interni, forme alleggerite e geometrie che non possono essere ottenute con i metodi tradizionali. Nel progetto di GKN Aerospace e Pratt & Whitney, l’obiettivo prioritario sembra invece essere la sostituzione del processo produttivo senza alterare la funzione e le interfacce della parte.
Questa strategia può agevolare l’inserimento del componente nelle procedure di assemblaggio e manutenzione già esistenti. Tecnici, attrezzature e documentazione non dovrebbero essere completamente riprogettati.
La compatibilità non elimina però il lavoro di qualificazione. Anche quando due componenti hanno la stessa geometria, un cambiamento nel processo produttivo può modificare microstruttura, comportamento a fatica, propagazione delle cricche e risposta alle temperature.
Pratt & Whitney dovrà quindi stabilire se la parte additiva possa garantire prestazioni equivalenti o superiori rispetto alla versione prodotta con il metodo precedente.
Dalla produzione del dimostratore alla certificazione
Il primo traguardo previsto per il 2027 sarà la realizzazione del dimostratore in scala reale. Questa fase servirà a verificare la capacità dell’impianto di Kongsberg di mantenere stabilità e controllo durante la costruzione di una geometria completa.
Il dimostratore dovrà essere sottoposto a misurazioni, analisi metallurgiche e prove meccaniche. Sarà necessario esaminare campioni prodotti nelle diverse zone della costruzione per verificare che le proprietà non cambino oltre i limiti accettabili.
Alcune parti potranno essere sezionate per analizzare porosità, inclusioni, adesione tra gli strati e orientamento della microstruttura. Altre verifiche potranno essere condotte tramite ultrasuoni, radiografia, tomografia o tecniche di controllo superficiale.
La fase successiva consisterà nel congelamento del processo. GKN Aerospace dovrà definire macchine, materiali, software, parametri, procedure operative e metodi di ispezione. Una modifica significativa introdotta dopo la qualificazione potrebbe richiedere nuove prove.
L’obiettivo di ottenere un prodotto certificato entro la fine del 2028 assegna quindi a GKN Aerospace e Pratt & Whitney un periodo limitato per passare dal dimostratore alla dimostrazione industriale.
Il programma dovrà provare non soltanto che il componente può essere costruito, ma che può essere riprodotto più volte con risultati controllabili.
La manifattura additiva non è nuova per Pratt & Whitney
Pratt & Whitney ha già introdotto la produzione additiva in diversi programmi di motori militari. Nel 2018 l’azienda ha avviato con un fornitore la stampa di un elemento del Turbine Exhaust Case del F135, denominato trailing-edge box.
Il trailing-edge box dirige il flusso dei gas di scarico e veniva prodotto attraverso una sequenza che comprendeva la formatura di lamiere metalliche. Il passaggio alla manifattura additiva ha permesso a Pratt & Whitney di valutare un componente più unitario, con un numero inferiore di parti e una catena di fornitura meno frammentata.
Pratt & Whitney ha utilizzato la produzione additiva anche per il motore TF33, impiegato sul bombardiere Boeing B-52H Stratofortress. In quel caso, la tecnologia ha permesso di riprogettare e produrre una staffa la cui catena di fornitura tradizionale era diventata difficile da ricostruire.
Questi programmi mostrano due impieghi distinti della stampa 3D metallica. Il primo riguarda la produzione di componenti per motori in costruzione. Il secondo riguarda il mantenimento di propulsori progettati decenni prima, per i quali utensili, stampi e fornitori possono non essere più disponibili.
Il nuovo accordo con GKN Aerospace aumenta però la scala dell’applicazione. Produrre una grande struttura del F135 richiede livelli di controllo differenti rispetto a una staffa o a un componente di dimensioni contenute.
Una collaborazione industriale già consolidata
Il rapporto tra GKN Aerospace e Pratt & Whitney nel programma F135 precede il nuovo accordo sulla manifattura additiva.
Nel 2019 GKN Fokker, divisione di GKN Aerospace, aveva ottenuto un accordo per la produzione iniziale di parti avanzate in materiale composito destinate al F135. La produzione era stata assegnata allo stabilimento di Hoogeveen, nei Paesi Bassi.
GKN Aerospace produce inoltre sistemi di cablaggio e componenti del motore F135 in impianti situati nei Paesi Bassi e in Norvegia.
La collaborazione per il carter additivo non nasce quindi da un rapporto limitato a un singolo progetto sperimentale. GKN Aerospace fa parte della catena internazionale di fornitura del F135 e dispone già di esperienza nella gestione dei requisiti di Pratt & Whitney.
Questa conoscenza può ridurre il lavoro necessario per allineare documentazione, controlli e procedure di qualità, anche se il processo L-DED-w dovrà comunque essere qualificato per la nuova applicazione.
L’esperienza di GKN Aerospace con la deposizione a filo
GKN Aerospace sviluppa tecnologie additive metalliche per l’aerospazio da oltre un decennio. Una delle prime applicazioni industriali della tecnologia LMD-w risale al programma Trent XWB di Rolls-Royce.
Nel 2008 GKN Aerospace scelse la deposizione laser con filo per aggiungere elementi in titanio a un grande carter del compressore intermedio del Rolls-Royce Trent XWB. Lo sviluppo del progetto, del materiale e del processo proseguì fino alla certificazione ottenuta nel 2012.
Quell’applicazione non prevedeva necessariamente la costruzione additiva dell’intero carter, ma dimostrava la possibilità di depositare materiale su grandi strutture aeronautiche e di portare il processo attraverso un percorso di certificazione.
GKN Aerospace ha inoltre sviluppato celle di produzione additiva di grandi dimensioni negli Stati Uniti e ha lavorato con Oak Ridge National Laboratory e Northrop Grumman su applicazioni LMD-w per strutture aeronautiche.
Il progetto F135 porta questa esperienza in un componente strutturale di un motore militare operativo e la trasferisce nel centro norvegese di Kongsberg.
Perché il progetto viene sviluppato in Norvegia
La scelta di Kongsberg riflette sia la presenza industriale di GKN Aerospace sia il ruolo della Norvegia nel programma F-35.
La Royal Norwegian Air Force dispone di 52 F-35A prodotti da Lockheed Martin. Gli ultimi esemplari della commessa norvegese sono stati consegnati nell’aprile 2025, completando la flotta prevista.
La Norvegia non è quindi soltanto un cliente dell’F-35, ma partecipa alla struttura industriale e operativa del programma. Il sostegno della Norwegian Defence Materiel Agency al progetto GKN Aerospace-Pratt & Whitney collega lo sviluppo tecnologico alle esigenze di disponibilità e autonomia della difesa norvegese.
Nel dicembre 2025 GKN Aerospace aveva annunciato anche un programma di espansione delle capacità additive di Kongsberg insieme a Norwegian Catapult Manufacturing Technology e alla società pubblica norvegese SIVA.
Il piano prevedeva un co-investimento di 12 milioni di corone norvegesi per infrastrutture e competenze dedicate alla produzione additiva. L’accordo con Pratt & Whitney offre ora un’applicazione concreta per queste capacità.
Il possibile impatto sulla catena di fornitura del F135
La domanda di motori e ricambi per il programma F-35 dipende dal numero di velivoli prodotti, dalle ore di volo e dalle attività di manutenzione della flotta internazionale.
La produzione di grandi carter richiede fornitori con impianti, materiali e competenze specifiche. La sostituzione o l’affiancamento di alcuni processi convenzionali con celle additive qualificate potrebbe ampliare le opzioni disponibili per Pratt & Whitney.
Una maggiore flessibilità non significa che il componente possa essere stampato in qualsiasi stabilimento. Ogni sito produttivo dovrebbe utilizzare attrezzature, procedure e materiali approvati. Sarebbe inoltre necessario dimostrare che una cella differente produce risultati equivalenti.
La produzione additiva può comunque rendere la catena meno dipendente da grandi stampi, attrezzature dedicate e lotti minimi richiesti da alcuni fornitori tradizionali.
La tecnologia potrebbe risultare utile anche per distribuire la capacità produttiva tra più paesi appartenenti al programma F-35, a condizione che Pratt & Whitney mantenga il controllo dei dati tecnici e della configurazione.
Il confronto economico dovrà includere tutto il processo
Il successo del programma non dipenderà soltanto dalla capacità di stampare il componente.
GKN Aerospace e Pratt & Whitney dovranno confrontare il costo completo della soluzione additiva con quello della produzione convenzionale. Nel calcolo dovranno rientrare il prezzo del filo, l’energia, il tempo macchina, i trattamenti termici, la lavorazione meccanica, le ispezioni e gli eventuali scarti.
Una deposizione più rapida può perdere parte del vantaggio se richiede molte ore di fresatura o se il componente presenta deformazioni difficili da correggere. Al contrario, una riduzione delle attrezzature, del materiale asportato e dei tempi di approvvigionamento può compensare un costo macchina più elevato.
Dovranno essere considerati anche i costi non direttamente legati alla singola parte. Una catena di fornitura più corta può ridurre le scorte di sicurezza, il rischio di interruzione e il capitale immobilizzato nei semilavorati.
Per un programma militare con una vita operativa estesa, la capacità di mantenere disponibile il componente per molti anni può pesare quanto il costo unitario iniziale.
Cosa accadrà se il programma raggiungerà gli obiettivi
Il dimostratore previsto per il 2027 permetterà di capire se il processo L-DED-w di GKN Aerospace sia in grado di rispettare dimensioni e qualità richieste da Pratt & Whitney.
La certificazione prevista entro il 2028 sarebbe il passaggio necessario per trasformare l’esperimento in una possibilità produttiva concreta. Non equivale però all’avvio automatico della produzione in serie. Pratt & Whitney dovrà valutare volumi, costi, fabbisogno della flotta e integrazione con i contratti esistenti.
Un risultato positivo potrebbe estendere l’impiego della tecnologia ad altri carter, strutture e componenti di grandi motori. GKN Aerospace potrebbe utilizzare le conoscenze acquisite anche nei programmi civili e militari sviluppati con altri costruttori.
Per Pratt & Whitney, il progetto costituisce un ulteriore passo verso una manifattura additiva applicata non soltanto a piccoli componenti complessi, ma anche alle grandi strutture che determinano tempi, costi e capacità della catena di fornitura.
Il valore del programma sarà misurato sulla capacità di produrre parti ripetibili, ispezionabili e convenienti. Il traguardo non è dimostrare che un grande carter possa essere stampato una sola volta, ma stabilire un processo utilizzabile per un motore militare destinato a rimanere in servizio per molti anni.
