Il Rochester Institute of Technology, attraverso il suo AMPrint Center, ha presentato un lavoro di ricerca dedicato a una testina multiugello per il Molten Metal Jetting, una tecnologia di stampa 3D metallo basata sull’espulsione controllata di gocce di metallo fuso.
Il progetto riguarda una testina drop-on-demand a otto ugelli, pensata per aumentare la produttività senza modificare la dimensione della singola goccia e quindi senza ridurre, almeno nell’impostazione teorica e sperimentale del lavoro, la risoluzione del processo. La ricerca è firmata da Kareem Tawil, Irtaza Razvi, Chris Chungbin, Andrew Greeley, David Trauernicht e Denis Cormier, tutti collegati alla Kate Gleason College of Engineering del Rochester Institute of Technology.
Il tema è importante perché la stampa 3D metallo deve ancora risolvere un equilibrio difficile: produrre più velocemente, ma senza sacrificare precisione, densità, controllo del materiale e qualità del pezzo. Le tecnologie a letto di polvere, come la laser powder bed fusion, hanno aumentato la produttività con più laser, camere più grandi e strategie di scansione più evolute. Il binder jetting lavora con testine larghe e può depositare legante su aree estese, ma richiede fasi successive di debinding e sinterizzazione. Il Molten Metal Jetting segue un’altra strada: non usa polveri da fondere con laser e non richiede la sinterizzazione di un verde stampato. Deposita direttamente piccole gocce di metallo liquido che solidificano formando il pezzo.
Che cos’è il Molten Metal Jetting
Il Molten Metal Jetting, abbreviato spesso in MMJ, può essere immaginato come una stampa a getto di materiale, ma con metallo fuso al posto dell’inchiostro o di un fotopolimero. Il materiale viene portato allo stato liquido, mantenuto in un serbatoio o in un sistema di alimentazione termicamente controllato, poi espulso sotto forma di gocce verso un substrato o verso gli strati già depositati.
Ogni goccia deve uscire dall’ugello con dimensione, velocità e traiettoria coerenti. Quando arriva sul piano, si raffredda e si unisce alle gocce precedenti. Ripetendo il processo, si costruisce una geometria tridimensionale.
La semplicità apparente nasconde molte difficoltà. Il metallo fuso non si comporta come un polimero fuso in una normale FDM. Le temperature sono più alte, la viscosità e la tensione superficiale devono essere gestite con precisione, l’ossidazione può diventare un problema, l’ugello deve resistere a condizioni severe e il controllo termico dell’area di stampa è decisivo.
Il vantaggio potenziale è però molto chiaro: usare metallo sotto forma di filo, barra, bacchetta, lingotto o materiale riciclato può essere meno complesso rispetto alla gestione di polveri metalliche sferiche, costose, sensibili all’umidità e da trattare con procedure di sicurezza rigorose. Inoltre, depositare direttamente metallo liquido evita alcune fasi successive tipiche di altri processi.
Perché un solo ugello non basta per la produzione
Molti sistemi di Molten Metal Jetting sono stati sviluppati con un singolo ugello. Questa scelta semplifica il controllo del processo: una sola fonte di gocce, una sola traiettoria da calibrare, una sola dinamica fluida da monitorare. Il limite è la produttività.
Se la macchina deposita una goccia alla volta da un solo ugello, la velocità complessiva dipende dalla frequenza di espulsione e dal percorso della testina. Anche aumentando la frequenza, esistono limiti fisici legati alla formazione della goccia, al tempo di rilassamento del menisco, alla stabilità del getto e al raffreddamento del materiale.
La soluzione più naturale è aumentare il numero di ugelli. In teoria, otto ugelli possono depositare materiale in parallelo e ridurre il tempo necessario per coprire una stessa area. In pratica, il problema è molto più complesso. Ogni ugello deve comportarsi come gli altri. Se una goccia esce più veloce, più lenta, più grande o con una traiettoria diversa, il pezzo può accumulare errori. In una testina multiugello, una piccola differenza ripetuta per migliaia o milioni di gocce può diventare un difetto visibile o strutturale.
Il lavoro del RIT affronta proprio questo punto: come costruire una testina multiugello compatta e come rendere più uniforme il comportamento dei diversi canali.
La testina a otto ugelli del RIT
Il gruppo del Rochester Institute of Technology ha costruito e testato una testina drop-on-demand a otto ugelli, con passo tra gli ugelli di 3 mm. Questo passo ravvicinato è uno degli elementi centrali del progetto, perché consente alla testina di lavorare come una piccola barra di deposizione, aumentando la larghezza effettiva della passata.
Per ottenere questa compattezza, i ricercatori hanno adottato una soluzione con accoppiamento orizzontale tra attuatore e ugello attraverso un breve canale fluido. In una configurazione verticale classica, ogni ugello avrebbe bisogno del proprio gruppo di attuazione sopra la zona di uscita, aumentando l’ingombro e rendendo più difficile avvicinare gli ugelli. La disposizione orizzontale permette invece di stringere la distanza tra i punti di deposizione.
Questo approccio non elimina i problemi. Il canale che collega l’attuatore all’ugello introduce una variabile: più il canale è lungo, più cambia la dinamica della goccia. Nel lavoro pubblicato, la modellazione fluidodinamica computazionale mostra che, per ogni millimetro di lunghezza del canale, la velocità della goccia espulsa diminuisce di 0,036 m/s con una forma d’onda nominale.
È un dato tecnico, ma ha un significato pratico molto semplice. Se i canali non sono identici o se gli ugelli rispondono in modo diverso, la testina non deposita in modo uniforme. Per una tecnologia che punta alla produzione, questa differenza deve essere corretta.
La regolazione delle forme d’onda per ogni ugello
Per ridurre la differenza tra gli ugelli, il gruppo RIT ha lavorato sulla regolazione della forma d’onda di comando. In un sistema drop-on-demand, l’attuatore non si limita ad aprire o chiudere un passaggio. Viene pilotato con un segnale preciso, che influenza la pressione nel fluido, la formazione della goccia, il distacco dal menisco e la velocità iniziale.
La scelta della forma d’onda è quindi una leva di controllo. Se ogni ugello ha una risposta leggermente diversa, si può compensare modificando ampiezza e profilo del comando. Nel lavoro RIT, questa regolazione ha ridotto la deviazione di velocità tra gli ugelli da 0,074 m/s a 0,0079 m/s. Il risultato indica un miglioramento di circa un ordine di grandezza nella uniformità del getto.
Questo è uno degli aspetti più interessanti del progetto. La testina non viene trattata come un blocco meccanico passivo, ma come un sistema da calibrare ugello per ugello. È la stessa logica che in altri settori della stampa industriale permette di far lavorare insieme molteplici canali: ogni punto di uscita deve essere misurato, corretto e riportato entro una finestra accettabile.
Produttività: il dato dei 194 cm³/h
Il lavoro riporta una velocità di deposizione di picco pari a 194 cm³/h. I modelli indicano inoltre una riduzione del tempo di stampa del 79% rispetto a un sistema monougello su una parte realistica.
Sono numeri da leggere con attenzione. Il dato di picco non significa automaticamente che ogni pezzo verrà prodotto a quella velocità. In stampa 3D, il tempo reale dipende da geometria, strategia di riempimento, pause termiche, movimenti a vuoto, raffreddamento, qualità richiesta e gestione degli strati. Però il risultato mostra perché il multiugello è una strada logica per il Molten Metal Jetting.
Se la dimensione della goccia resta la stessa, la risoluzione non viene abbassata per aumentare la portata. Invece di usare gocce più grandi, si usano più ugelli. È un concetto simile a quello delle testine inkjet: la produttività cresce perché tanti punti lavorano in parallelo, non perché ogni singolo punto diventa meno preciso.
Per il metal additive manufacturing, questo è un passaggio importante. Molte applicazioni industriali non chiedono soltanto di produrre una forma complessa; chiedono costi per pezzo compatibili con la produzione. Se il Molten Metal Jetting vuole competere con fusione, lavorazione CNC, powder bed fusion o binder jetting su alcune famiglie di componenti, la velocità di deposizione diventa una variabile decisiva.
Un’alternativa alle polveri metalliche
Uno dei motivi per cui il Molten Metal Jetting attira interesse riguarda il materiale di partenza. I processi a letto di polvere richiedono polveri metalliche con caratteristiche precise: distribuzione granulometrica controllata, morfologia adatta allo scorrimento, purezza, gestione dell’umidità, tracciabilità e procedure di sicurezza. Questi requisiti incidono sui costi e sull’infrastruttura necessaria.
Nel Molten Metal Jetting, il materiale può essere fornito in forme più comuni, a seconda della macchina e del progetto: filo, barre, bacchette, lingotti o anche materiale di recupero rifuso. Questa possibilità non deve essere semplificata troppo. Usare materiale riciclato richiede comunque controllo della composizione chimica, ossidi, contaminanti, inclusioni e proprietà finali. Tuttavia, il principio apre una via interessante per ridurre dipendenza da polveri specializzate e per immaginare flussi di produzione più vicini al riciclo metallico.
Su questo tema si collega anche il progetto sostenuto dalla National Science Foundation che coinvolge il RIT e altri partner accademici. L’obiettivo è sviluppare una nuova generazione di stampa 3D metallo basata su droplet jetting, con attenzione alla riduzione degli sprechi e all’impiego di feedstock più economici, compreso materiale riciclato.
Il legame con ADDiTEC ElemX, Xerox e Vader Systems
Il Molten Metal Jetting non nasce dal nulla. Uno dei riferimenti industriali più noti è la tecnologia sviluppata da Vader Systems, poi acquisita da Xerox nel 2019 e successivamente confluita nell’ecosistema Elem Additive Solutions. Nel 2023 ADDiTEC ha acquisito da Xerox il business Elem Additive Solutions, inclusi asset, brevetti e personale, continuando a proporre la tecnologia ElemX.
ElemX lavora con alluminio in forma di filo e utilizza un processo di Liquid Metal Jetting in cui il metallo viene fuso in un crogiolo e le gocce vengono espulse tramite forza di Lorentz pulsata. Il sistema è stato proposto soprattutto per applicazioni in alluminio, parti funzionali, ricambi, ricerca, difesa, industria e produzione on-demand.
La ricerca RIT si colloca in questo filone, ma con una differenza importante: l’attenzione alla testina multiugello. I sistemi commerciali basati su liquid metal jetting hanno mostrato che la tecnologia può produrre parti metalliche usando feedstock più semplice rispetto alle polveri, ma il passaggio a più ugelli potrebbe cambiare la produttività del processo.
Il punto non è sostituire in blocco le macchine esistenti. È costruire una strada tecnica per aumentare la portata del processo senza rinunciare alla logica goccia-per-goccia che rende il jetting interessante.
Applicazioni possibili
Una testina multiugello per metallo fuso potrebbe trovare spazio in diversi tipi di applicazioni. I primi candidati sono componenti in alluminio di piccola e media dimensione, dove contano tempi di consegna, costo del materiale e possibilità di produrre parti near-net shape con post-processing limitato.
Si possono immaginare staffe, supporti, dissipatori, piccoli alloggiamenti, elementi strutturali leggeri, parti per ricerca e componenti di ricambio. Nel lungo periodo, se il controllo del processo e dei materiali si dimostrasse robusto, il campo potrebbe ampliarsi anche a geometrie più complesse, reticoli metallici, strutture alleggerite e componenti con funzioni integrate.
Le strutture lattice sono un caso interessante. Il RIT lavora anche su applicazioni del Molten Metal Jetting per reticoli metallici, sfruttando la possibilità di depositare gocce in modo controllato senza lasciare polveri intrappolate in cavità chiuse. Nei processi a letto di polvere, infatti, le geometrie completamente chiuse possono creare problemi di rimozione della polvere. Un processo a gocce, se ben controllato, può offrire un percorso diverso.
I limiti da verificare
Come sempre, il passaggio da un risultato di laboratorio a un processo industriale richiede prudenza. Una testina a otto ugelli è un passo significativo, ma la produzione pone domande più severe.
Prima di tutto, serve dimostrare la stabilità su tempi lunghi. Una cosa è far funzionare otto ugelli in un test; un’altra è mantenerli stabili per ore di produzione, con metallo fuso, variazioni termiche, possibili impurità, ossidazione e rischio di intasamenti.
Poi bisogna verificare la qualità dei pezzi. La velocità di deposizione è utile solo se densità, microstruttura, porosità, adesione tra gocce e proprietà meccaniche restano entro limiti accettabili. Il Molten Metal Jetting deve gestire il raffreddamento di ogni goccia, la coalescenza con il materiale già depositato e il profilo termico dell’intera parte.
C’è anche il tema della scalabilità. Il lavoro RIT indica che la metodologia può essere estesa a un numero arbitrario di ugelli, ma passare da otto a decine di ugelli aumenta la complessità. Più canali significano più controllo termico, più calibrazione, più possibilità di differenze tra ugelli e più dati da gestire in tempo reale.
Infine, resta il tema dei materiali. L’alluminio è un candidato naturale, ma ogni lega ha comportamento diverso in fusione, ossidazione, solidificazione e interazione con ugelli e substrato. Per diventare una tecnologia produttiva ampia, il Molten Metal Jetting dovrà dimostrare risultati affidabili su materiali specifici e con proprietà finali documentate.
Perché questa ricerca è rilevante per la stampa 3D metallo
La testina multiugello del RIT è interessante perché affronta un problema concreto: come aumentare la produttività del Molten Metal Jetting senza trasformarlo in un processo grossolano. La soluzione proposta non aumenta semplicemente la dimensione della goccia. Aumenta il numero di punti di deposizione e lavora sulla calibrazione dei singoli ugelli.
Questo approccio avvicina il Molten Metal Jetting alla logica della stampa industriale a getto: molteplici canali coordinati, controllo software, correzione delle differenze tra ugelli e deposizione parallela. Se questi elementi saranno portati a scala maggiore, il processo potrebbe diventare più competitivo per pezzi metallici in cui la powder bed fusion risulta troppo costosa o lenta e in cui il binder jetting richiede troppi passaggi successivi.
Il ruolo del Rochester Institute of Technology e del suo AMPrint Center è rilevante anche perché il centro lavora su tecnologie additive, materiali e applicazioni in collaborazione con industria, governo e partner accademici. Non si tratta quindi solo di una dimostrazione isolata, ma di un tassello all’interno di una linea di ricerca più ampia sul metal jetting, sulla produzione sostenibile e sulla riduzione delle barriere legate ai materiali.
Una strada da seguire, senza confonderla con un prodotto pronto
La testina a otto ugelli non va interpretata come una macchina commerciale già disponibile. È un risultato di ricerca, con una domanda industriale chiara alle spalle: rendere il Molten Metal Jetting più produttivo e più adatto a processi ripetibili.
Il valore del progetto sta nella combinazione tra architettura meccanica, modellazione fluidodinamica e controllo della forma d’onda. Il passo a 3 mm, la compensazione delle differenze di velocità tra ugelli e il dato di deposizione di 194 cm³/h mostrano che il multiugello può essere una via concreta per aumentare la velocità del processo.
Per chi segue la stampa 3D metallo, il punto da osservare sarà l’evoluzione successiva: durata degli ugelli, materiali processabili, controllo dell’ossidazione, qualità metallurgica, ripetibilità e integrazione con sistemi di monitoraggio. Solo questi passaggi diranno se il Molten Metal Jetting multiugello potrà diventare una soluzione produttiva diffusa o resterà una tecnologia di nicchia per applicazioni specifiche.
In ogni caso, il lavoro del RIT conferma una tendenza chiara: il futuro della stampa 3D metallo non passa solo da laser più potenti o camere più grandi. Passa anche da processi alternativi, feedstock più accessibili, testine più intelligenti e sistemi capaci di depositare materiale in modo parallelo, misurabile e controllato.
