La stampa 3D metallica ha superato un nuovo passaggio sperimentale nel settore dei materiali per la fusione nucleare. Un gruppo formato da North Carolina State University, Oak Ridge National Laboratory (ORNL), JEOL e partner della ricerca statunitense ha realizzato piastrelle in tungsteno mediante fusione su letto di polvere con fascio elettronico, le ha portate alle dimensioni richieste da un dispositivo di ricerca e le ha esposte direttamente al plasma del tokamak DIII-D, a San Diego.
Il comunicato originale della NC State University è stato pubblicato il 22 ottobre 2026. L’esperimento si era già svolto nell’ambito della campagna di prova del 2026, dopo l’installazione delle piastrelle nel mese di luglio.
Le parti additive sono rimaste integre dopo 74 scariche di plasma in modalità di alto confinamento, distribuite su tre giorni, per un’esposizione complessiva di circa quattro minuti. È un risultato importante perché non riguarda più soltanto piccoli campioni esposti in laboratorio, ma componenti installati nel dispositivo sperimentale e sottoposti alle sue reali condizioni operative.
La durata totale di esposizione deve però essere riportata insieme al numero delle scariche. Settantquattro eventi di plasma non equivalgono a giorni o mesi di servizio continuativo, e il test non dimostra ancora la durata operativa richiesta a un futuro impianto energetico commerciale.
Il ruolo del tungsteno nei dispositivi per la fusione
Nei sistemi di confinamento magnetico come i tokamak, la superficie dei componenti più vicini al plasma deve affrontare flussi di calore e particelle particolarmente intensi.
Il divertore è una regione dedicata a gestire parte delle particelle e delle impurità che vengono trasportate verso le superfici del dispositivo. I materiali utilizzati in questa zona devono sopportare sollecitazioni termiche molto elevate e limitare, per quanto possibile, erosione e contaminazione del plasma.
Il tungsteno è un candidato importante perché presenta un punto di fusione elevatissimo e caratteristiche interessanti per le applicazioni termiche estreme. Tuttavia, possiede anche un limite significativo: il comportamento può diventare fragile al di sotto della propria temperatura di transizione duttile-fragile, il cui valore dipende dalla composizione, dalla microstruttura e dalle condizioni di prova.
Questa fragilità rende difficili alcune lavorazioni tradizionali e può complicare la fabbricazione di componenti complessi o caratterizzati da particolari vincoli geometrici.
La produzione additiva potrebbe offrire una maggiore libertà nella progettazione, purché il materiale stampato presenti una qualità e una resistenza adeguate.
Perché è stato utilizzato un fascio elettronico
Una parte delle difficoltà della stampa 3D del tungsteno deriva dal modo in cui il materiale si riscalda e si raffredda.
Le grandi variazioni di temperatura, insieme alle tensioni sviluppate durante la solidificazione, possono provocare cricche o porosità nei componenti.
Il gruppo di ricerca aveva già dimostrato che la Electron Beam Powder Bed Fusion (EB-PBF) permette di affrontare alcune di queste difficoltà mantenendo il materiale a temperature elevate all’interno di una camera in vuoto.
Il fascio elettronico fonde localmente il letto di polvere e può contribuire a mantenere una regione estesa in condizioni termiche più favorevoli alla lavorazione. Nelle ricerche precedenti dei partner, la gestione termica ha permesso di portare il tungsteno oltre circa 1.400 °C durante il processo, limitando la formazione di cricche associate a forti gradienti termici.
Questa temperatura non è una temperatura di esercizio del componente nel tokamak, ma un parametro del procedimento di fabbricazione.
L’obiettivo del nuovo progetto era passare da piccoli provini, già studiati negli anni precedenti, a piastrelle di dimensioni realistiche.
Il passaggio alla JEOL JAM-5200EBM
Il gruppo della NC State non disponeva inizialmente di un sistema adeguato a stampare componenti di tungsteno delle dimensioni previste, mantenendo le condizioni termiche richieste su una superficie molto più ampia.
Per questa fase è stata coinvolta JEOL, che ha utilizzato la propria JAM-5200EBM, macchina a letto di polvere con fascio elettronico, nello stabilimento di Akishima, in Giappone.
Gli ingegneri hanno definito supporti e parametri di esposizione, quindi realizzato diverse iterazioni di piastrelle piane e leggermente bombate. Le prime prove sono servite anche a migliorare l’accuratezza delle dimensioni e la gestione delle superfici.
Il progetto ha richiesto la collaborazione di diverse organizzazioni: JEOL ha effettuato la fabbricazione additiva; ORNL ha contribuito alla ricerca sui materiali e finanziato parte delle attività; NC State ha gestito le lavorazioni finali e le analisi; il gruppo DIII-D ha partecipato alle verifiche progettuali e agli esperimenti con il plasma.
Le dimensioni delle coppie di piastrelle finite sono nell’ordine di 136 × 143 millimetri, con uno spessore di circa 20 millimetri. Si tratta di componenti molto più grandi dei primi campioni di tungsteno studiati per queste applicazioni.
Dalla stampa alla finitura mediante EDM e rettifica
Il componente prodotto dalla stampante non è stato installato direttamente nel tokamak senza ulteriori lavorazioni.
Alla NC State i ricercatori hanno utilizzato l’elettroerosione a filo (wire EDM) per ottenere alcune caratteristiche geometriche e le superfici necessarie al montaggio. Il procedimento è interessante per il tungsteno perché permette di rimuovere materiale senza imporre le stesse forze di taglio tipiche di alcune lavorazioni meccaniche.
Successivamente è stata utilizzata una rettificatrice CNC multiasse, con un processo impostato mediante una rappresentazione digitale della geometria, per rifinire le superfici esposte al plasma.
La lavorazione finale ha comportato la rimozione di circa 250 micrometri dalla superficie destinata al contatto con il plasma, ottenendo una finitura molto accurata e rispettando le tolleranze di installazione.
Il caso dimostra quindi un flusso ibrido: stampa 3D per costruire il volume principale del componente, seguita da tecnologie sottrattive e controlli dimensionali.
È un aspetto importante della reale applicazione industriale della produzione additiva metallica, soprattutto quando le superfici funzionali devono rispettare requisiti particolarmente stringenti.
L’installazione nel divertore di DIII-D
Le piastrelle finite sono state installate nel divertore inferiore del tokamak DIII-D, montate su supporti in lega di rame. Il loro compito sperimentale era verificare la risposta del materiale additivo quando viene esposto direttamente a un plasma di fusione.
Durante la campagna di prova sono state registrate 74 scariche in regime H-mode, con potenze da medie a elevate. Le condizioni hanno sottoposto le superfici a flussi significativi di calore e particelle.
Le piastrelle additivamente fabbricate sono rimaste integre al termine della campagna. Il gruppo ha segnalato anche un evento imprevisto: un componente convenzionale vicino, non perfettamente allineato, ha subito una fusione localizzata sul bordo e ha proiettato materiale in prossimità di una delle piastrelle stampate.
L’osservazione aggiunge informazioni interessanti sulle condizioni affrontate durante la prova, ma non deve essere trasformata in un confronto quantitativo di superiorità fra componenti additivi e convenzionali. Le posizioni e le sollecitazioni effettive non erano identiche.
I limiti della dimostrazione
L’integrità visibile delle piastrelle dopo l’esposizione costituisce un risultato sperimentale. Tuttavia, la resistenza apparente non esaurisce le verifiche necessarie.
I ricercatori stanno eseguendo ulteriori scansioni e analisi delle superfici per confrontare i componenti prima e dopo l’esperimento. Sarà importante valutare erosione, eventuali microcricche, modifiche delle proprietà e alterazioni della microstruttura.
La campagna ha fornito quattro minuti circa di esposizione cumulativa, non un test di funzionamento continuo per migliaia di ore. Inoltre, i futuri impianti di fusione potrebbero imporre combinazioni diverse di carichi termici, particelle, irraggiamento e cicli di avvio e arresto.
La prova dimostra la fattibilità di fabbricare e utilizzare temporaneamente piastrelle additivamente prodotte in un tokamak sperimentale. Non costituisce ancora la qualifica definitiva del tungsteno stampato per tutti i componenti di un impianto di fusione.
Un percorso avviato con campioni molto più piccoli
L’esperimento deriva da una serie di studi progressivi. Nel 2025 il gruppo aveva utilizzato campioni molto piccoli di tungsteno stampato, esponendoli al plasma tramite il sistema DiMES di DIII-D.
Le prove iniziali avevano fornito indicazioni incoraggianti, sufficienti a giustificare il passaggio a una piastrella di dimensioni funzionali. Il nuovo progetto è quindi un aumento di scala e un’evoluzione dell’ambiente di prova, non una scoperta improvvisa di un materiale fino ad allora mai sperimentato.
Il passaggio dai primi campioni al componente installato ha richiesto circa otto mesi di lavoro coordinato, secondo quanto riferito dalla NC State University.
Questo calendario comprende progettazione, stampa in Giappone, finitura negli Stati Uniti, verifiche e installazione. È un esempio di quanto lavoro sia necessario per portare un materiale avanzato dalla prova di laboratorio a un componente sottoposto a sollecitazioni reali.
Che cosa significa per la produzione additiva
Il risultato conferma l’interesse dei procedimenti EB-PBF per materiali refrattari difficili da lavorare. La gestione termica durante la fabbricazione permette di affrontare alcuni problemi che hanno storicamente limitato l’impiego del tungsteno in produzione additiva.
La stampa 3D potrebbe in futuro rendere possibili geometrie più complesse, canali interni o configurazioni difficili da realizzare con le sole tecniche convenzionali, ma ciascuna applicazione richiederà verifiche proprie.
Per il momento il traguardo documentato è preciso: piastrelle in tungsteno prodotte mediante fascio elettronico, portate alle dimensioni del divertore e rimaste integre dopo 74 scariche di plasma. Le analisi successive dovranno stabilire quanto questo risultato possa essere trasferito alle condizioni dei futuri sistemi energetici.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI).
