Finemet, LPBF e controllo della cristallizzazione: lo studio di IMDEA Materials indica come cambia la microstruttura nei componenti magnetici stampati in 3D
Perché Finemet è un materiale osservato con attenzione
Finemet appartiene alla famiglia dei materiali magnetici dolci nanocristallini a base ferro ed è noto sul mercato come tecnologia sviluppata da Proterial. Questo materiale è apprezzato perché combina alta permeabilità, elevata densità di flusso di saturazione, basse perdite nel nucleo e buona stabilità termica. Proprio queste caratteristiche lo rendono interessante per induttanze, trasformatori, filtri, sensori e altri dispositivi nei quali il comportamento magnetico incide direttamente sull’efficienza del sistema.
Il nodo industriale: proprietà elevate, ma produzione complessa
Il problema non riguarda l’interesse del materiale, ma il modo in cui lo si trasforma in componenti tridimensionali complessi senza alterarne la struttura. Le leghe vetrose metalliche e i sistemi nanocristallini come Finemet offrono una combinazione utile di resistenza meccanica, resistenza alla corrosione e prestazioni magnetiche, ma durante la lavorazione possono cristallizzare in modo non controllato. Nella manifattura additiva questo aspetto è ancora più critico, perché i cicli termici ripetuti, la zona termicamente alterata e i gradienti di raffreddamento possono modificare in profondità la microstruttura finale del pezzo.
Come è stato impostato lo studio di IMDEA Materials
Il lavoro pubblicato su Additive Manufacturing dal gruppo di IMDEA Materials Institute con Saumya Sadanand, A.D. Boccardo, B. Yang, M. Rodríguez-Sánchez, A. Ghavimi, R. Busch, I. Gallino e M.T. Pérez-Prado ha analizzato proprio questo passaggio: capire come la lega Finemet cristallizzi durante la laser powder bed fusion. I ricercatori hanno prodotto campioni cubici adottando una strategia di doppia scansione, variando la velocità del secondo passaggio laser per modificare localmente le condizioni termiche. La microstruttura è stata poi studiata con microscopia ottica, elettronica a scansione e in trasmissione, insieme a simulazioni FEM della storia termica.
Dove nasce la cristallizzazione e perché non è uniforme
Dai risultati emerge che la cristallizzazione non segue un solo percorso. Può avvenire durante la rapida solidificazione del melt pool, ma anche nella heat-affected zone generata dai passaggi laser successivi. I cristalliti osservati risultano molto più grandi e molto più eterogenei rispetto a quelli tipicamente ottenuti con percorsi convenzionali, come l’annealing di nastri melt-spun. Nello studio vengono riportate dimensioni che vanno da poche decine fino a diverse centinaia di nanometri, segnale di un ambiente termico altamente localizzato e variabile lungo il processo.
Le fasi dendritiche ai bordi del melt pool e il ruolo del raffreddamento
Il team ha inoltre identificato una popolazione più piccola di cristalli dendritici ai margini del bagno fuso. In questo caso la dimensione di tali cristalli diminuisce all’aumentare della velocità di raffreddamento, elemento che conferma quanto la cinetica termica locale influenzi nucleazione e crescita. Il punto importante non è soltanto che il materiale cristallizzi, ma che lo faccia in posizioni diverse del pezzo e con morfologie differenti, perché da questa distribuzione dipendono efficienza magnetica, resistività elettrica e comportamento meccanico del componente finito.
Perché questo risultato interessa chi progetta motori, induttanze e componenti passivi
Per componenti magnetici dolci destinati a motori elettrici, trasformatori e induttanze, il controllo della microstruttura è un parametro progettuale, non una conseguenza secondaria del processo. Secondo gli autori, se l’obiettivo è produrre con LPBF un composito nanocristallino-amorfo a geometria complessa adatto a un componente passivo o magnetico, i parametri vanno scelti in modo da abbassare i tassi di raffreddamento, aumentare la nucleazione, limitare la crescita di grani grossi e confinare la formazione di nanocristalli nella zona termicamente alterata. In altre parole, la finestra di processo non deve massimizzare solo la densità del pezzo, ma anche la qualità magnetica della sua architettura interna.
Una linea di ricerca che va oltre questo singolo esperimento
Questo risultato si inserisce in una linea di ricerca più ampia sul rapporto tra parametri LPBF, frazione amorfa e risposta magnetica nelle leghe vetrose a base ferro. Un lavoro del 2024 su un bulk metallic glass commerciale Fe-based, Kuamet6B2, ha mostrato che i parametri che portano ai campioni più densi favoriscono anche una cristallizzazione più marcata, mentre quelli che preservano meglio la frazione amorfa possono introdurre difetti di fusione e cricche residue. Nello stesso studio la velocità di scansione è risultata più influente della potenza laser sulla frazione amorfa, perché agisce con più forza su melt pool e volume della zona termicamente alterata. Un altro lavoro del 2024 ha inoltre esplorato la finestra di processabilità LPBF del Finemet nanocristallino, confermando che la produzione additiva di questi materiali richiede un equilibrio stretto tra forma del pezzo, densificazione e stabilità microstrutturale.
Il contesto europeo del progetto AM2SoftMag
Lo studio è stato sviluppato nel contesto di AM2SoftMag, progetto Horizon Europe finanziato dall’European Innovation Council per dimostrare la possibilità di produrre componenti amorfi magnetici dolci ad alte prestazioni tramite stampa 3D per macchine elettriche e componenti passivi. Il coordinamento è affidato alla Saarland University, mentre nel consorzio compaiono realtà accademiche e industriali come IMDEA Materials Institute, Technische Universität Berlin, INRIM, Heraeus AMLOY Technologies GmbH e AMAZEMET. In questo quadro il risultato di IMDEA non è solo un avanzamento scientifico sulla cristallizzazione del Finemet, ma un tassello operativo verso la validazione di componenti magnetici prodotti additivamente con maggiore controllo della struttura interna e delle perdite elettromagnetiche.
Che cosa resta da risolvere prima di una diffusione più ampia
La letteratura sulle leghe vetrose metalliche stampate in 3D indica con chiarezza che i principali ostacoli restano tre: cristallizzazione indesiderata, porosità e contaminazione da ossigeno. Il valore dello studio di IMDEA Materials Institute sta nel fatto che sposta l’attenzione dalla sola fattibilità della stampa alla comprensione dei meccanismi con cui il processo trasforma il materiale durante ciascun ciclo termico. Per il settore dei componenti magnetici questo approccio è particolarmente rilevante, perché la prestazione finale non dipende soltanto dalla composizione della lega, ma da come il processo distribuisce fasi amorfe, nanocristalli e difetti all’interno del pezzo.
