Al Umwelt-Campus Birkenfeld della Hochschule Trier è entrato in funzione un impianto per produrre polveri metalliche destinate alla manifattura additiva. La particolarità del progetto è il materiale di partenza: non solo metalli primari, ma anche residui e scarti metallici che possono essere riportati dentro una filiera tecnica ad alto valore. L’impianto utilizza un processo VIGA, cioè Vacuum Inert Gas Atomization, una tecnologia nella quale il metallo viene fuso e poi trasformato in particelle fini tramite gas in atmosfera controllata.
L’obiettivo non è soltanto produrre polvere per stampa 3D, ma verificare se una parte degli scarti metallici possa rientrare nel ciclo produttivo come materia prima qualificata. Per la stampa 3D metallo, infatti, la polvere non è un materiale qualsiasi: deve avere granulometria controllata, buona scorrevolezza, composizione chimica stabile, basso livello di contaminazione e particelle adatte alla deposizione uniforme nel letto di polvere. Il NIST, che studia la metrologia delle polveri per additive manufacturing, indica proprio scorrevolezza, distribuibilità, dimensione delle particelle, distribuzione granulometrica e densità dello strato di polvere tra i parametri da collegare alla qualità finale del pezzo.
Dal metallo di scarto alla polvere sferica
Nel nuovo impianto del campus tedesco, gli scarti metallici vengono prima fusi per induzione. La fusione viene poi sottoposta ad atomizzazione con gas, cioè viene disgregata in particelle che solidificano sotto forma di polvere. Nel caso della stampa 3D a letto di polvere, la forma delle particelle è un punto centrale: particelle troppo irregolari possono compromettere la stesura degli strati, mentre particelle più sferiche e con distribuzione dimensionale controllata tendono a favorire alimentazione, densità apparente e regolarità del letto di polvere.
Il processo VIGA opera in condizioni di vuoto e gas inerte. Questo serve a limitare l’ossidazione e a mantenere un controllo più stretto sulla purezza del materiale. È un aspetto importante soprattutto per leghe destinate a processi come Laser Powder Bed Fusion, dove ogni strato di polvere viene distribuito e fuso selettivamente da un laser. Se la polvere non scorre bene o contiene contaminanti, il rischio è ottenere difetti, densità non uniforme o proprietà meccaniche difficili da ripetere.
Una filiera più circolare per la stampa 3D metallo
La stampa 3D viene spesso descritta come una tecnologia più efficiente perché usa il materiale solo dove serve. Questo è vero in molte applicazioni, ma non basta a rendere circolare l’intero processo. Nel metallo, la catena parte molto prima della stampa: estrazione, produzione della lega, trasformazione in polvere, caratterizzazione, stoccaggio, uso in macchina, setacciatura, riuso e gestione del materiale esausto.
Il lavoro della Hochschule Trier interviene proprio nella parte iniziale della filiera. Se un residuo metallico può essere rifuso, atomizzato, caratterizzato e trasformato in polvere idonea, il materiale non viene più trattato come scarto a basso valore, ma come risorsa tecnica. Fraunhofer IFAM sottolinea che la tecnologia delle polveri può trasformare residui metallici, polveri di scarto, polveri da filtri e materiali ibridi in nuovi materiali e componenti, purché siano presenti preparazione, classificazione e analisi adeguate.
Questo non significa che ogni scarto metallico possa diventare automaticamente polvere per LPBF. La composizione deve essere nota, la lega deve essere compatibile con il processo, eventuali contaminanti devono essere gestiti e la polvere prodotta deve superare controlli severi. È qui che il progetto diventa interessante per la ricerca: non si limita a dimostrare che il metallo può essere rifuso, ma studia come costruire una catena completa e verificabile.
Il ruolo del CZS Center KRAFt
L’impianto è stato realizzato nell’ambito del CZS Center KRAFt, nome completo Carl-Zeiss-Stiftung Center für Kreislaufwirtschaft und Ressourceneffizienz mittels Additiver Fertigungstechnologien. Il centro riunisce Hochschule Trier, Karlsruher Institut für Technologie e Hochschule Aalen con l’obiettivo di sviluppare soluzioni più efficienti per la manifattura additiva usando metalli, polimeri e ceramiche tecniche. La Carl-Zeiss-Stiftung finanzia il progetto con 12 milioni di euro, con una durata indicata da aprile 2025 a marzo 2031.
Il progetto KRAFt non si occupa solo di produrre un materiale alternativo. Il suo campo è più ampio: analisi dei flussi di materia, bilanci energetici, caratterizzazione dei materiali, processi produttivi, prodotti finali e valutazioni sull’intero ciclo di vita. La Carl-Zeiss-Stiftung descrive il centro come un’iniziativa pensata per rendere più efficienti le catene di processo della manifattura additiva e per verificare l’uso di materie seconde nei processi polimerici e metallici.
Al Umwelt-Campus Birkenfeld, la direzione del progetto è affidata al Prof. Dr.-Ing. Michael Wahl. La pagina del progetto indica anche il coinvolgimento degli istituti IBT e IMiP del campus, mentre la rete complessiva comprende dieci gruppi di lavoro interdisciplinari e 24 partner, in gran parte industriali.
Un impianto VIGA dentro un contesto universitario
La presenza di un impianto di atomizzazione presso un’università applicata ha un valore pratico. Permette agli studenti e ai ricercatori di lavorare sull’intera catena: scelta del materiale, rifusione, produzione della polvere, classificazione, stampa, caratterizzazione del pezzo e analisi del processo. Non si studia soltanto la macchina di stampa, ma anche il materiale che la alimenta.
La stessa Hochschule Trier parla di una struttura rara nel contesto universitario regionale, sottolineando che in un ampio raggio non esiste una dotazione comparabile presso un ateneo. L’impianto è stato sostenuto anche dal Ministerium für Wissenschaft und Gesundheit Rheinland-Pfalz, mentre nel team di messa in funzione compare anche Indutherm, azienda tedesca attiva nelle tecnologie di fusione, colata e produzione di polveri metalliche.
Indutherm produce sistemi per la fabbricazione e la lavorazione di polveri metalliche, inclusi atomizzatori a gas per polveri sferiche in piccoli e medi lotti, atomizzatori ad acqua, sistemi a ultrasuoni e classificatori ad aria. La società evidenzia anche aspetti come lavorazione protetta dall’ossidazione, facilità di pulizia, cambio lega e riduzione della contaminazione incrociata, elementi particolarmente rilevanti quando si lavora con leghe diverse e con materiali riciclati.
Perché la qualità della polvere è decisiva
Nel metallo, la qualità della polvere è una delle variabili che separano una prova di laboratorio da un processo produttivo stabile. In una macchina LPBF, lo strato di polvere deve essere distribuito con spessore regolare. Il laser fonde selettivamente le zone previste dal modello digitale. Se il letto di polvere non è uniforme, possono comparire porosità, mancanze di fusione, variazioni dimensionali o differenze nelle proprietà meccaniche.
Per questo motivo il progetto non può fermarsi alla sola produzione della polvere. Servono analisi chimiche, misure della granulometria, osservazione della forma delle particelle, prove di scorrevolezza, densità apparente, densità battuta, controllo dell’umidità e valutazione dei gas assorbiti. Fraunhofer IFAM, nei propri percorsi sulle tecnologie delle polveri e il riciclo, cita analisi come O/N/H/C/S, SEM con EDX, diffrazione laser, setacciatura, misure di flowability e densità come strumenti utili per rendere lavorabili materiali riciclati o residui metallici.
Il tema è ancora più delicato quando il materiale proviene da scarti. Una barra o un truciolo metallico possono contenere oli, ossidi, residui di lavorazione, contaminazioni da utensile o variazioni di composizione. Prima di diventare polvere per stampa 3D devono essere selezionati, preparati e ricondotti a una qualità accettabile. La promessa della circolarità passa quindi da controlli molto concreti.
Energia rinnovabile e gas prodotti con fonti rinnovabili
La Hochschule Trier definisce il progetto come orientato alla produzione di polvere metallica a bassa impronta climatica. Secondo l’ateneo, il processo opera con energia elettrica da fonti rinnovabili e anche i gas impiegati vengono prodotti usando energia rinnovabile. Questo punto è rilevante perché la produzione di polveri metalliche è energivora: fondere, atomizzare, classificare e controllare il materiale richiede infrastrutture e consumi non trascurabili.
La scelta di collegare il recupero degli scarti a un’alimentazione energetica più pulita serve a intervenire su due livelli: riduzione del bisogno di materia prima vergine e riduzione dell’impronta energetica del processo. La valutazione definitiva, però, richiede dati di ciclo di vita, bilanci energetici e confronto con polveri prodotte da materie prime convenzionali. Il CZS Center KRAFt include proprio analisi di flussi di energia e materia lungo la catena della manifattura additiva, con l’obiettivo di identificare i passaggi da migliorare.
Un collegamento con la ricerca già attiva sul campus
Il Umwelt-Campus Birkenfeld non parte da zero nel campo della stampa 3D metallo. Il campus ha già lavorato su progetti di manifattura additiva legati a efficienza energetica e risorse, come RERAP – Ressourceneffizientes Rapid Prototyping, nel quale venivano confrontati processi convenzionali e processi generativi, compresa la produzione di componenti metallici tramite fusione laser di polvere.
Questa continuità è importante perché la produzione della polvere ha senso solo se viene collegata alla stampa e alla qualificazione del pezzo. Un materiale atomizzato da scarti deve dimostrare di poter essere processato, ma anche di generare componenti con densità, microstruttura, resistenza e ripetibilità adeguate. I partner del progetto intendono studiare l’impiego delle polveri prodotte a Birkenfeld anche negli altri siti coinvolti, cioè KIT e Hochschule Aalen.
Dal laboratorio alla possibile applicazione industriale
Per l’industria, il tema è economico oltre che ambientale. Le polveri metalliche per additive manufacturing possono avere costi elevati, soprattutto nel caso di superleghe, titanio, leghe speciali o materiali qualificati per applicazioni critiche. Ridurre gli scarti, recuperare polveri degradate o trasformare residui metallici in nuovo feedstock può migliorare la resilienza della filiera.
Il progetto svedese SCARLETT, coordinato da Chalmers Tekniska Högskola AB e finanziato da Vinnova, lavora su un obiettivo simile: migliorare il riuso delle polveri e trasformare scarti metallici in polveri ad alto valore per la manifattura additiva. La scheda del progetto indica la degradazione della polvere durante i processi AM come un problema che limita il riuso e genera scarti costosi.
Il progetto della Hochschule Trier si inserisce quindi in una direzione più ampia: costruire catene di fornitura del metallo AM meno lineari. Invece di acquistare polvere, usarla, setacciarla finché possibile e poi smaltire la parte non più adatta, l’obiettivo è creare cicli di riuso, ricondizionamento, rifusione e nuova atomizzazione.
I limiti da verificare
La produzione di polvere da scarti non va confusa con una soluzione pronta per qualsiasi lega e per qualsiasi macchina. Ogni materiale richiede parametri specifici. Le leghe di alluminio, titanio, acciaio, nichel o cobalto-cromo rispondono in modo diverso alla fusione, all’atomizzazione, all’ossidazione e alla solidificazione. Anche la finestra granulometrica dipende dal processo di stampa: una polvere adatta a LPBF non è sempre adatta a DED, binder jetting o MIM.
Ci sono poi aspetti di sicurezza. Le polveri metalliche fini possono essere reattive, inalabili o esplosive in determinate condizioni. Servono quindi sistemi di contenimento, aspirazione, protezione, gestione dei gas e procedure di laboratorio ben definite. Questo vale per la produzione, per la classificazione e per la successiva lavorazione nelle stampanti.
Infine, resta il tema della qualificazione. Un’azienda che produce componenti per automotive, aerospazio, medicale o utensileria non può cambiare feedstock senza validazione. Anche quando la polvere riciclata appare tecnicamente valida, bisogna dimostrare che il comportamento in macchina e le proprietà del pezzo restino stabili lotto dopo lotto.
Perché il progetto è importante per la stampa 3D
La stampa 3D metallo ha bisogno di materiali qualificati, ma anche di una filiera più robusta e meno dipendente da materie prime vergini. La nuova linea VIGA del Umwelt-Campus Birkenfeld offre un banco di prova concreto: partire da residui metallici, produrre polveri, analizzarle, stamparle e misurare l’intero percorso.
Il punto più interessante è il passaggio da “riciclo” come parola generica a “riciclo” come processo tecnico misurabile. Qui entrano in gioco aziende come Indutherm, enti di ricerca come Hochschule Trier, KIT e Hochschule Aalen, finanziatori come Carl-Zeiss-Stiftung e istituzioni regionali come il Ministerium für Wissenschaft und Gesundheit Rheinland-Pfalz. Il risultato atteso non è solo una polvere più sostenibile, ma una metodologia per capire quali scarti possono davvero diventare materia prima per additive manufacturing.
Scheda rapida
| Voce | Dettaglio |
|---|---|
| Sede | Umwelt-Campus Birkenfeld, Hochschule Trier |
| Tecnologia | VIGA, Vacuum Inert Gas Atomization |
| Materiale di partenza | Scarti e residui metallici |
| Output | Polveri metalliche per manifattura additiva |
| Progetto | CZS Center KRAFt |
| Partner scientifici | Hochschule Trier, KIT, Hochschule Aalen |
| Finanziatore principale | Carl-Zeiss-Stiftung |
| Finanziamento | 12 milioni di euro |
| Durata indicata | Aprile 2025 – marzo 2031 |
| Azienda coinvolta nell’impianto | Indutherm |
| Obiettivo tecnico | Chiudere il ciclo dei materiali e valutare polveri da scarti per stampa 3D metallo |
Una strada concreta verso materiali AM più controllati
La produzione di polveri metalliche da scarti non risolve da sola il problema dell’impatto ambientale della stampa 3D metallo. Può però diventare uno dei tasselli della filiera: meno perdita di materiale, più conoscenza sulla degradazione delle polveri, maggiore capacità di recuperare residui e una produzione più vicina ai bisogni di ricerca e industria.
Il lavoro della Hochschule Trier sarà da seguire soprattutto nella fase di validazione: quali leghe verranno processate, quale qualità di polvere sarà ottenuta, come si comporterà il materiale nelle macchine LPBF e quali differenze emergeranno rispetto a polveri commerciali da materia prima primaria. Solo questi dati potranno dire se il modello potrà uscire dal laboratorio e diventare utile per aziende che cercano una manifattura additiva più efficiente, misurabile e meno dipendente da catene lineari di approvvigionamento.
