Dalla produzione additiva metallica ai compositi ceramici
Phase3D estenderà la propria tecnologia di controllo di processo Fringe Inspection alla produzione di componenti in composito a matrice ceramica, i Ceramic Matrix Composites o CMC, nell’ambito di un programma finanziato dal Department of the Air Force degli Stati Uniti.
Il progetto rappresenta per Phase3D un passaggio significativo rispetto alle applicazioni sulle quali l’azienda ha costruito finora la propria esperienza. La società di Chicago, la cui entità legale è Additive Monitoring, Inc. e che opera con il nome Phase3D, ha sviluppato Fringe Inspection soprattutto per il monitoraggio dei processi di produzione additiva metallica e ha poi adattato la stessa impostazione metrologica al cold spray.
Con il nuovo programma l’obiettivo cambia materiale, ma non il principio di fondo: controllare ciò che accade durante la fabbricazione, anziché affidarsi esclusivamente alle verifiche effettuate sul componente finito.
Per i CMC questa distinzione ha un peso particolare. La loro produzione comprende infatti numerose fasi, ciascuna delle quali può introdurre difetti difficili e costosi da individuare quando il pezzo è ormai completato.
Perché l’Air Force è interessata ai compositi a matrice ceramica
I compositi a matrice ceramica combinano fibre di rinforzo con una matrice ceramica. Una delle famiglie più studiate per il settore aerospaziale è quella dei compositi SiC/SiC, nei quali sia le fibre sia la matrice sono costituite principalmente da carburo di silicio.
L’interesse aeronautico deriva da una combinazione di caratteristiche difficile da ottenere con i materiali metallici convenzionali: bassa densità, resistenza alle alte temperature, buona stabilità chimica e capacità di conservare proprietà meccaniche in condizioni nelle quali molte leghe richiedono sistemi di raffreddamento complessi.
NASA studia da decenni i compositi SiC/SiC per parti calde dei motori aeronautici, sistemi di propulsione e protezioni termiche. Una parte del lavoro svolto dal Glenn Research Center si è concentrata sul loro impiego in camere di combustione, turbine e altri componenti sottoposti contemporaneamente a temperature elevate, sollecitazioni meccaniche e ambienti ossidanti.
Rispetto alle superleghe a base di nichel, alcuni sistemi CMC possono avere una densità sensibilmente inferiore e consentire l’impiego del componente a temperature più elevate. In un motore aeronautico questo può tradursi in minori necessità di aria destinata al raffreddamento, riduzione della massa e possibilità di progettare cicli termodinamici più efficienti.
Non si tratta però di materiali semplicemente sostituibili ai metalli. Fibre, matrice, interfacce, rivestimenti protettivi e processo produttivo formano un sistema nel quale piccoli cambiamenti possono modificare il comportamento del componente.
È proprio questa complessità a rendere il controllo qualità uno dei punti centrali del programma affidato a Phase3D.
Una produzione composta da molte fasi critiche
La fabbricazione di un componente CMC può comprendere preparazione di fibre o nastri, disposizione e sovrapposizione degli strati, realizzazione della preforma, consolidamento, infiltrazione della matrice, trattamenti termici e lavorazioni meccaniche finali.
A seconda del materiale e della tecnologia impiegata possono entrare in gioco processi di infiltrazione chimica da fase vapore, infiltrazione con slurry, infiltrazione di silicio fuso, polimerizzazione e pirolisi ripetute oppure combinazioni di più tecniche.
Questo significa che il componente passa attraverso numerosi stati intermedi prima di raggiungere la configurazione finale.
Durante questi passaggi possono comparire porosità, disallineamenti delle fibre, separazioni tra strati, cricche nella matrice, zone non infiltrate correttamente, variazioni dimensionali, deformazioni e difetti superficiali. Alcune anomalie possono restare innocue, mentre altre possono compromettere le proprietà meccaniche o la durata del componente.
La difficoltà consiste nel distinguerle e, soprattutto, nel farlo abbastanza presto.
Il limite di un controllo effettuato soltanto a fine produzione
Nel settore aerospaziale i controlli non distruttivi sono indispensabili e comprendono tecniche quali radiografia, tomografia computerizzata, ultrasuoni, termografia e altri metodi di caratterizzazione.
I CMC introducono però problemi specifici. La loro microstruttura è più complessa di quella di un materiale metallico omogeneo e alcuni meccanismi di danneggiamento possono essere distribuiti su scale differenti.
La NASA ha studiato, per esempio, la difficoltà di caratterizzare piccole cricche della matrice nei compositi SiC/SiC utilizzando alcune tecniche tradizionali di controllo non distruttivo. Da queste ricerche sono nati anche approcci basati sulla resistenza elettrica, sull’emissione acustica e su metodi ottici, utilizzati per seguire l’evoluzione del danno durante prove meccaniche e termiche.
Tomografia computerizzata e sezionamento distruttivo restano strumenti molto utili per determinare ciò che è accaduto a un componente, ma intervengono tipicamente quando una parte consistente del valore del pezzo è già stata incorporata nel processo produttivo.
Se un’anomalia introdotta nelle prime fasi viene identificata soltanto dopo infiltrazione, trattamento termico e lavorazione finale, il produttore non perde soltanto il materiale iniziale: perde anche tutte le ore macchina, l’energia e il lavoro aggiunti nelle fasi successive.
È questo il problema che Phase3D vuole affrontare con Fringe Inspection.
Come funziona Fringe Inspection
La tecnologia sviluppata da Phase3D è basata sulla scansione ottica a luce strutturata.
Invece di limitarsi a registrare immagini bidimensionali del processo, il sistema effettua misurazioni della superficie e genera mappe quantitative dell’altezza. In questo modo una variazione osservata durante la produzione può essere trattata come un dato metrologico e confrontata con valori di riferimento.
Il principio è importante perché trasforma l’ispezione da semplice osservazione visiva a misurazione ripetibile.
Fringe Inspection è nato per controllare processi di produzione additiva nei quali il sistema misura la superficie durante la costruzione del componente. Phase3D ha installato la tecnologia su differenti piattaforme industriali di additive manufacturing e l’ha utilizzata per identificare anomalie legate alla deposizione della polvere, alla fusione e alla geometria degli strati.
Il sistema produce delle heightmap, cioè rappresentazioni tridimensionali quantitative della superficie. Differenze rispetto alla condizione prevista possono quindi essere individuate e archiviate insieme alla posizione e alla fase produttiva nella quale sono comparse.
Phase3D intende ora trasferire questa impostazione ai compositi a matrice ceramica.
Il problema non è semplicemente vedere un difetto
Adattare Fringe Inspection ai CMC non significa installare lo stesso sensore utilizzato su una macchina di stampa 3D e iniziare le misurazioni.
Superfici, materiali, riflettività, geometrie, rugosità e caratteristiche dei difetti cambiano. Phase3D dovrà quindi sviluppare procedure di calibrazione dedicate ai diversi sistemi CMC e determinare quali variazioni della superficie abbiano effettivamente una relazione con un problema del materiale o del processo.
Una deformazione misurata otticamente, per esempio, non costituisce automaticamente un difetto strutturale. Per trasformare il dato in uno strumento di controllo qualità occorre correlare la firma osservata durante il processo con ciò che viene individuato in seguito mediante tomografia, analisi microstrutturale, prove distruttive o altre tecniche di riferimento.
Il programma comprende quindi lo sviluppo di modelli per la classificazione delle anomalie e protocolli di validazione specifici per i materiali.
È probabilmente questa correlazione, più che la semplice acquisizione delle immagini, a determinare il valore industriale del progetto.
Controllare il processo prima di completare il componente
L’obiettivo di Phase3D è introdurre punti di controllo lungo il ciclo produttivo.
Una variazione generata durante la preparazione di un nastro, per esempio, potrebbe essere identificata prima che quel materiale venga integrato in una struttura più complessa. Un problema comparso durante l’impilamento degli strati potrebbe essere analizzato prima del consolidamento. Una deformazione prodotta da un trattamento termico potrebbe essere misurata prima di procedere alla fase successiva.
La conseguenza potenziale è un cambiamento nel modo in cui viene costruita la documentazione di qualità.
Invece di disporre soltanto dei risultati relativi al componente finale, il produttore potrebbe avere una cronologia delle condizioni del pezzo durante la fabbricazione.
Per applicazioni aerospaziali e militari questo tipo di tracciabilità può diventare importante anche nei processi di qualificazione, perché consente di mettere in relazione il risultato finale con le condizioni registrate durante la produzione.
Una tecnologia già sperimentata con l’US Air Force
Il nuovo progetto sui CMC non costituisce il primo rapporto tra Phase3D e le organizzazioni dell’US Air Force.
Phase3D ha lavorato con l’Air Force Research Laboratory, AFRL, e con l’Oklahoma City Air Logistics Complex su tecnologie di monitoraggio della produzione additiva. L’azienda ha inoltre collaborato con l’Ellsworth Air Force Base nello sviluppo di un sistema Fringe Inspection destinato al cold spray.
Per quest’ultimo programma Phase3D ha ricevuto 1,25 milioni di dollari di finanziamenti dall’Air Force Research Laboratory.
Il cold spray utilizza particelle accelerate ad alta velocità per depositare materiale su una superficie senza ricorrere alla fusione completa tipica di altri processi. La tecnica interessa il settore militare anche per attività di riparazione e ripristino di componenti.
Durante quel progetto Phase3D ha utilizzato Fringe Inspection per misurare caratteristiche della deposizione e identificare condizioni quali cricche, cavità, craterizzazione e distribuzioni irregolari del materiale. I dati sono stati impiegati anche per sviluppare criteri quantitativi di accettazione o rifiuto dei depositi.
L’esperienza mostra il percorso seguito dall’azienda: partire da un principio di misurazione ottica e adattarlo a processi produttivi differenti costruendo, per ciascuno, criteri specifici di controllo.
Il precedente lavoro con NASA e la produzione additiva metallica
Phase3D ha utilizzato Fringe anche in attività condotte con NASA e con l’US Air Force sulla produzione additiva metallica.
In questi progetti la società ha studiato la relazione fra anomalie osservate durante la costruzione e porosità rilevata successivamente nel componente.
Nel lavoro destinato all’Air Force sono stati utilizzati anche componenti in Ti-6Al-4V, mentre nelle attività con NASA è stata impiegata la lega di rame GRCop-42, sviluppata per applicazioni ad alta temperatura.
L’idea è costruire una relazione misurabile fra un evento verificatosi durante il processo e il difetto osservato nel pezzo terminato.
Questa esperienza costituisce la base metodologica del nuovo programma sui compositi ceramici, anche se materiali e processi sono molto diversi.
Chi utilizzerà i risultati del programma
Tra i principali potenziali utilizzatori indicati per il progetto figurano la Propulsion Directorate e il Rapid Sustainment Office dell’Air Force Life Cycle Management Center, insieme alla Materials and Manufacturing Directorate dell’Air Force Research Laboratory.
La presenza del Rapid Sustainment Office è significativa perché l’interesse non riguarda soltanto la ricerca sui materiali.
L’US Air Force sta sviluppando sistemi di produzione e riparazione più distribuiti, con l’obiettivo di ridurre tempi logistici e dipendenza da singoli centri produttivi. Perché questo modello possa funzionare, però, i sistemi di controllo qualità devono poter essere trasferiti anche nei depositi di manutenzione, negli stabilimenti degli OEM e nei centri di ricerca.
Un’apparecchiatura di ispezione utilizzabile esclusivamente in un grande laboratorio centralizzato risolve soltanto una parte del problema.
Phase3D dovrà quindi valutare non soltanto la capacità di Fringe Inspection di individuare anomalie nei CMC, ma anche la possibilità di trasformare il sistema in uno strumento sufficientemente pratico e ripetibile per differenti ambienti produttivi.
La Phase I dovrà dimostrare la fattibilità
Il programma si trova nella Phase I.
In questa fase non si sta ancora parlando di un sistema certificato per autorizzare automaticamente l’impiego di un componente CMC su un velivolo. L’obiettivo è determinare se la tecnologia possa essere adattata con risultati utili e ripetibili e stabilire quali organizzazioni siano più adatte a proseguire la sperimentazione.
Phase3D dovrà identificare le caratteristiche misurabili, definire le calibrazioni necessarie, costruire sistemi di classificazione delle anomalie e confrontare i risultati con tecniche di verifica indipendenti.
Solo dopo questa fase sarà possibile valutare il passaggio a programmi più estesi e a prove su processi produttivi rappresentativi delle applicazioni operative.
Nelle informazioni rese pubbliche sul programma il 20 agosto 2026 non è stato comunicato l’importo del finanziamento destinato a questa Phase I.
I CMC sono già entrati nei motori commerciali
L’interesse dell’Air Force si inserisce in un quadro industriale nel quale i compositi a matrice ceramica non appartengono più soltanto alla ricerca di laboratorio.
GE Aerospace ha sviluppato una filiera industriale dedicata ai CMC in carburo di silicio e utilizza questi materiali nei motori della famiglia LEAP, prodotti da CFM International, la joint venture tra GE Aerospace e Safran Aircraft Engines.
Nel LEAP i CMC sono impiegati negli shroud della turbina ad alta pressione. GE Aerospace indica centinaia di migliaia di componenti di questo tipo prodotti a partire dal 2016.
Il loro utilizzo è ancora più esteso nel GE9X, motore destinato alla famiglia Boeing 777X. GE Aerospace impiega CMC in diversi componenti della sezione calda, fra cui shroud, ugelli e liner.
Questi programmi dimostrano che esiste già una capacità industriale di produrre CMC aeronautici in volumi significativi.
Allo stesso tempo mostrano perché la metrologia e il controllo di processo acquistino importanza con l’aumento delle quantità prodotte.
Il controllo qualità come parte del processo produttivo
Il programma affidato a Phase3D affronta quindi una questione più ampia della semplice introduzione di un nuovo sensore.
Quando un materiale è costoso, il ciclo produttivo è lungo e il componente deve essere qualificato per applicazioni critiche, sapere alla fine del processo che un pezzo è difettoso non è sufficiente.
Occorre capire quando il difetto è nato, quale operazione lo ha generato e quali parametri possono essere modificati per impedirne la ricomparsa.
È lo stesso passaggio che la produzione additiva metallica sta affrontando da anni: trasformare l’ispezione da una verifica separata dalla produzione a una fonte continua di dati sul processo.
Con Fringe Inspection, Phase3D tenterà di applicare questa impostazione ai compositi a matrice ceramica.
Se la Phase I dimostrerà che le mappe tridimensionali generate dalla luce strutturata possono essere correlate in modo affidabile con difetti e deformazioni dei CMC, l’Air Force disporrà di un possibile strumento aggiuntivo per controllare materiali destinati a motori, sistemi di propulsione, protezioni termiche e applicazioni ad alta temperatura.
Per Phase3D il progetto rappresenta anche l’opportunità di estendere Fringe Inspection oltre il settore nel quale la piattaforma è nata. Dopo powder bed fusion, binder jetting e cold spray, i compositi ceramici costituirebbero una nuova categoria di processo nella quale applicare lo stesso principio: produrre dati quantitativi mentre il componente viene costruito, quando esiste ancora la possibilità di capire l’origine di un’anomalia prima che il costo del pezzo sia stato interamente sostenuto.
“Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)”
