Dalle pigne al filamento PLA: uno studio valuta un biocomposito per la stampa 3D FDM
Un residuo forestale trasformato in materiale per additive manufacturing
Un gruppo di ricercatori della Ștefan cel Mare University of Suceava, in Romania, ha sperimentato l’utilizzo di pigne di pino silvestre come riempitivo naturale per produrre un filamento PLA destinato alla stampa 3D FDM. Lo studio, firmato da Irina Beșliu-Băncescu, Florin Ursachi e Gelu-Marius Rotaru e pubblicato sulla rivista scientifica Sustainability, affronta un tema sempre più presente nella ricerca sui materiali per additive manufacturing: utilizzare residui biologici poco valorizzati come componente di nuovi filamenti, riducendo almeno in parte la quantità di polimero necessaria.
I ricercatori hanno utilizzato pigne di Pinus sylvestris, il pino silvestre, raccolte nella regione di Suceava, nel nord-est della Romania. Le pigne sono state essiccate, macinate e setacciate fino a ottenere una farina composta da particelle comprese indicativamente fra 125 e 180 micrometri. Il materiale vegetale non è stato sottoposto a complessi trattamenti chimici prima della miscelazione con il PLA: uno degli obiettivi era verificare quanto fosse possibile ottenere un filamento utilizzabile partendo da una biomassa relativamente semplice da preparare.
Sono state confrontate due formulazioni: PLA con il 5% in peso di farina di pigna e PLA con il 10%. Il risultato più importante dello studio è che la formulazione con meno biomassa ha fornito complessivamente le prestazioni migliori, evidenziando uno dei problemi tipici dei compositi polimero-fibra naturale: aumentare la quantità di filler può migliorare alcuni aspetti del materiale, ma contemporaneamente peggiorare lavorabilità, adesione fra le fasi e resistenza meccanica.
Le pigne vengono essiccate, macinate e incorporate nel PLA
Il processo parte dalla trasformazione della pigna in una polvere sufficientemente fine da poter attraversare successivamente il sistema di estrusione e l’ugello della stampante. È una fase più importante di quanto possa sembrare. Una particella vegetale troppo grande può creare irregolarità nel filamento, accumularsi nell’estrusore oppure bloccare l’ugello.
La frazione granulometrica scelta, fra 125 e 180 µm, rappresenta quindi un compromesso fra la necessità di mantenere una vera componente lignocellulosica e quella di produrre un materiale compatibile con le dimensioni tipiche dei sistemi FFF desktop.
La farina è stata miscelata con il PLA e successivamente estrusa attraverso un piccolo sistema single-screw, ottenendo un filamento nominale da 1,75 millimetri. Sono state prodotte le formulazioni con 5 e 10% di pigna, mentre i ricercatori hanno verificato che quantità superiori diventavano progressivamente difficili da gestire.
Superando il 10% aumentavano infatti agglomerazione delle particelle, irregolarità del diametro e problemi di scorrimento, fino alla possibilità di ostruire l’ugello. Il limite industriale del materiale non dipende quindi soltanto dalle sue proprietà meccaniche: prima ancora di chiedersi quanto sia resistente il pezzo finale, occorre riuscire a produrre un filamento sufficientemente uniforme da poter essere alimentato in modo affidabile.
Il 5% di pigna offre il risultato migliore
I test di trazione eseguiti direttamente sul filamento hanno mostrato una resistenza media di 21,06 MPa per la formulazione con il 5% di farina di pigna. Portando la biomassa al 10%, il valore è sceso a 18,51 MPa.
La differenza emerge anche nell’allungamento prima della rottura. Il filamento con il 5% di filler ha raggiunto circa 7,35%, mentre quello contenente il 10% si è fermato a 4,69%.
La maggiore quantità di pigna rende quindi il materiale più fragile invece di funzionare come un normale rinforzo strutturale.
È una distinzione importante. Parlare genericamente di “PLA rinforzato con pigna” potrebbe far pensare a un comportamento simile a quello delle fibre continue di carbonio o vetro, nelle quali l’elemento aggiunto viene utilizzato specificamente per aumentare la capacità di sopportare carichi. In questa sperimentazione la farina di pigna si comporta principalmente come filler bio-based, non come rinforzo strutturale efficace.
Il problema è il collegamento tra PLA e materiale vegetale
Gli autori attribuiscono una parte significativa della perdita di resistenza alla limitata compatibilità fra le due fasi.
Il PLA presenta un comportamento relativamente idrofobico rispetto alla biomassa lignocellulosica, mentre la farina di pigna contiene gruppi chimici che tendono a interagire maggiormente con l’acqua. Le due superfici non sviluppano quindi automaticamente un’adesione ottimale.
Quando il materiale viene sottoposto a trazione, lo sforzo dovrebbe idealmente essere trasferito dalla matrice polimerica alle particelle disperse. Se il contatto fra particella e PLA è debole, possono invece formarsi piccolissimi vuoti all’interfaccia. Queste discontinuità diventano punti nei quali la tensione si concentra e da cui può iniziare la rottura.
Aumentando dal 5 al 10% il contenuto di farina aumentano contemporaneamente il numero delle interfacce PLA-biomassa e la probabilità di agglomerazione. Questo aiuta a spiegare perché il materiale con più pigna non abbia mostrato prestazioni superiori.
Gli autori parlano comunque di un meccanismo plausibile, non di una dimostrazione definitiva ottenuta attraverso una completa analisi quantitativa dei microvuoti.
La stampa introduce un’ulteriore perdita di resistenza
Dopo aver prodotto il filamento, il gruppo di Suceava ha utilizzato una Creality Ender 3 V2 per realizzare i campioni destinati alle prove.
I componenti sono stati stampati con layer da 0,2 mm, velocità di circa 25 mm/s e riempimento pieno. L’utilizzo del 100% di infill è importante perché permette di limitare l’influenza delle strutture interne e concentrare maggiormente il confronto sulla formulazione del materiale e sull’interazione fra i layer.
La stampa ha comunque provocato una diminuzione della resistenza rispetto al filamento non stampato.
I campioni con il 5% di pigna hanno conservato circa l’85% della resistenza originaria, portandosi nell’ordine dei 18 MPa. Quelli contenenti il 10% hanno mantenuto circa il 79%, scendendo vicino a 14,5 MPa.
Non è un risultato sorprendente per la tecnologia FFF. Un filamento continuo estruso industrialmente possiede una struttura differente da un componente costruito depositando centinaia di cordoni uno sopra l’altro. Nel pezzo stampato diventano determinanti l’adesione fra layer, la presenza di piccoli vuoti, la temperatura di deposizione e la capacità delle successive linee di materiale di unirsi correttamente.
Il filler vegetale aggiunge ulteriori interfacce a un materiale che possiede già le interfacce tipiche della costruzione layer-by-layer.
I campioni stampati sembrano diventare più duttili, ma il dato richiede prudenza
Un risultato apparentemente curioso riguarda l’allungamento dei pezzi stampati, che ha superato l’8% in alcune prove risultando superiore a quello misurato direttamente sul filamento.
Gli autori ipotizzano che il fenomeno possa essere collegato al comportamento delle interfacce e al parziale re-melting fra layer durante la deposizione, ma invitano a interpretarlo con cautela.
I campioni stampati utilizzati per questa parte dei test erano soltanto tre per ogni formulazione e l’allungamento è stato ricavato dal movimento della macchina di prova anziché da un sistema ottico indipendente applicato direttamente alla zona utile del provino.
Eventuali deformazioni dell’attrezzatura o piccoli scorrimenti del campione possono quindi influenzare il valore rilevato.
Lo studio deve essere considerato una prima caratterizzazione del materiale e non una banca dati definitiva delle sue proprietà meccaniche.
Il 10% produce superfici laterali più lisce ma peggiora la parte superiore
L’analisi della superficie mostra un comportamento meno intuitivo.
Aumentando al 10% la quantità di pigna, le superfici laterali dei campioni sono risultate in alcune misure più lisce. Gli autori ipotizzano che la presenza del filler modifichi la viscosità del materiale fuso e riduca il cosiddetto die swell, cioè la tendenza del polimero a espandersi dopo l’uscita dall’ugello.
Sulle superfici superiori avviene però il contrario.
La rugosità aumenta e diventano più evidenti irregolarità e piccoli accumuli. Lo studio riporta valori Ra fino a 9,85 µm e Sz fino a 100,2 µm sulle superfici superiori, mentre sulle pareti laterali il valore Ra può scendere fino a circa 3,10 µm, con Sz fino a 45,4 µm.
La superficie di un componente FFF non può quindi essere descritta attraverso un singolo numero. L’orientamento rispetto alla direzione di deposizione produce caratteristiche differenti, e la presenza della biomassa modifica in modo diverso la parte superiore e quella laterale.
Dal punto di vista generale, anche su questo parametro la formulazione al 5% appare più equilibrata, producendo un filamento più regolare e superfici complessivamente più prevedibili.
La maggiore quantità di pigna crea problemi anche prima di arrivare alla stampante
Uno degli aspetti più interessanti dello studio è che mette in evidenza la differenza fra riuscire a creare sperimentalmente un materiale e riuscire a trasformarlo in un vero filamento commerciale.
Una bobina FDM deve mantenere il proprio diametro all’interno di tolleranze relativamente strette. Se aumenta e diminuisce continuamente, cambia la quantità reale di materiale introdotta nell’estrusore.
La presenza di particelle solide modifica viscosità e comportamento del melt. Se queste particelle si raggruppano, la sezione del filamento può diventare irregolare.
Al 10% il processo rimane ancora gestibile, ma il comportamento è peggiore rispetto alla formulazione al 5%. Sopra quella concentrazione, secondo i ricercatori, le difficoltà aumentano abbastanza da rendere problematica la produzione del filamento.
Questo dato è significativo dal punto di vista dell’economia circolare. L’obiettivo non può essere semplicemente inserire “più rifiuto possibile” nel polimero. Esiste una quantità oltre la quale il residuo biologico riduce talmente la processabilità da rendere il prodotto meno utile.
Un materiale bio-based non è automaticamente più sostenibile
La presenza delle pigne può ridurre la frazione di PLA utilizzata: un chilogrammo della formulazione al 5% contiene teoricamente circa 50 grammi di biomassa in sostituzione di altrettanto polimero.
Questo non permette però da solo di concludere che il materiale abbia un impatto ambientale inferiore.
Le pigne devono essere raccolte, trasportate, essiccate, macinate, setacciate e miscelate. Il composito deve poi essere estruso in filamento e, a fine vita, la presenza del filler può modificare il comportamento durante riciclo o biodegradazione.
Lo studio pubblicato su Sustainability si concentra soprattutto su processabilità, prestazioni meccaniche e qualità superficiale e non presenta una completa Life Cycle Assessment capace di confrontare l’impatto ambientale complessivo del materiale con quello del PLA convenzionale.
È quindi corretto parlare di valorizzazione di una biomassa e di riduzione della quantità di PLA nella formulazione, ma sarebbe prematuro quantificare un vantaggio ambientale complessivo senza ulteriori analisi.
Anche il PLA non deve essere confuso con un materiale che scompare semplicemente nell’ambiente
Lo stesso vale per la matrice.
Il PLA deriva generalmente da materie prime rinnovabili ed è classificabile come polimero biodegradabile in determinate condizioni, ma questo non significa che una parte stampata in PLA si degradi rapidamente se abbandonata nel terreno o nell’ambiente naturale.
La degradazione dipende da temperatura, umidità, microorganismi, geometria del pezzo e condizioni di compostaggio.
Aggiungere materiale lignocellulosico potrebbe modificare assorbimento d’acqua e percorsi di degradazione, ma questo specifico studio non è stato progettato per determinare tempi e condizioni di biodegradazione dei pezzi PLA-pigna.
L’interesse ambientale è quindi soprattutto nella valorizzazione di un residuo forestale all’interno di un biocomposito, non nella promessa di un oggetto automaticamente compostabile in qualsiasi condizione.
Il prossimo passo potrebbe essere trattare chimicamente la farina di pigna
Gli autori individuano proprio nell’interfaccia PLA-pigna uno dei principali margini di miglioramento.
Una possibile soluzione consiste nel lavare o trattare la superficie delle particelle per rimuovere parte di cere, lignina ed emicellulosa e rendere la superficie maggiormente compatibile con la matrice.
Un’altra possibilità riguarda l’impiego di coupling agents, sostanze progettate per creare un collegamento chimico o migliorare l’interazione fra polimero e filler naturale.
Esistono già studi precedenti sui compositi contenenti pine cone flour che mostrano l’efficacia di questo approccio. Trattamenti alcalini e con silani come GPTMS sono stati utilizzati per modificare la superficie della farina, aumentando rugosità e compatibilità con matrici contenenti PLA. In uno studio su blend PP/PLA/pigna, la combinazione fra trattamento alcalino e silano ha prodotto una microstruttura più coesa e una migliore adesione interfaciale.
Un lavoro pubblicato nel 2025 ha inoltre mostrato che compatibilizzanti come PP-g-MA possono migliorare il trasferimento degli sforzi in compositi PP/PLA contenenti farina di pigna.
Queste tecniche potrebbero consentire in futuro di aumentare la quantità di biomassa senza subire la stessa perdita meccanica osservata nello studio rumeno.
Il compromesso è però evidente: ogni trattamento aggiuntivo aumenta energia, sostanze chimiche, costo e complessità produttiva. Se l’obiettivo è valorizzare un residuo attraverso una filiera semplice, un processo troppo sofisticato potrebbe ridurne il vantaggio.
Trasformare la pigna in biocarbon produce un materiale completamente diverso
Un confronto particolarmente interessante arriva da un altro studio pubblicato nel 2025 su ACS Applied Bio Materials.
In quel caso le pigne non sono state semplicemente macinate e aggiunte al PLA. Sono state trasformate in biocarbon, producendo particelle carboniose successivamente incorporate nel polimero in concentrazioni estremamente basse.
Lo studio ha utilizzato percentuali comprese fra 0,025 e 0,100% in peso, quindi quantità decine o centinaia di volte inferiori rispetto al 5-10% della ricerca rumena.
Alla concentrazione ottimale dello 0,075%, gli autori hanno riportato un aumento della resistenza a trazione fino al 60% rispetto alla formulazione di riferimento.
Non c’è una contraddizione fra i due risultati. Farina di pigna e biocarbon di pigna sono materiali completamente differenti.
Nel primo caso vengono introdotte particelle lignocellulosiche relativamente grandi, idrofile e non trattate. Nel secondo la biomassa viene convertita termicamente in particelle carboniose con proprietà superficiali differenti e utilizzata in quantità molto ridotte.
Il confronto mostra proprio quanto non sia sufficiente dire che un filamento “contiene pigne”: processo di trasformazione, granulometria, concentrazione e chimica della superficie determinano il comportamento finale.
Manca però un confronto fondamentale con il PLA puro
Una delle limitazioni più importanti dello studio di Suceava, sottolineata anche nell’analisi di Fabbaloo, è l’assenza di un PLA puro preparato, estruso e stampato nelle medesime condizioni sperimentali.
I ricercatori confrontano correttamente le formulazioni al 5 e al 10% fra loro, ma non dispongono di una baseline interna capace di mostrare esattamente cosa sarebbe successo al PLA senza pigna utilizzando lo stesso materiale di partenza, la stessa estrusione, la stessa Ender 3 V2 e gli stessi parametri.
Confrontare direttamente i 21 MPa ottenuti nello studio con valori di PLA riportati in altri articoli sarebbe metodologicamente debole. Differenti gradi di PLA, condizioni di essiccazione, temperature, orientamenti e geometrie dei provini possono produrre valori di resistenza molto diversi.
Per questo motivo il risultato più robusto dello studio non è “la pigna rende il PLA più forte o più debole rispetto a qualsiasi PLA commerciale”. È invece che all’interno delle due formulazioni provate, il 5% funziona nettamente meglio del 10%.
Anche il numero dei campioni dovrà aumentare
Gli stessi autori considerano preliminare una parte dei risultati.
Tre campioni stampati per formulazione rappresentano un numero relativamente contenuto per caratterizzare un nuovo materiale destinato alla produzione.
Future ricerche dovrebbero utilizzare lotti più ampi, analizzare sistematicamente la distribuzione delle particelle e misurare direttamente porosità e microvuoti attraverso microscopia o tecniche tomografiche.
Sarebbe inoltre utile studiare flessione, impatto, comportamento termico, assorbimento d’acqua, fatica e invecchiamento. Un filamento destinato a oggetti decorativi può non richiedere la stessa caratterizzazione di un materiale ingegneristico, ma conoscere questi valori aiuterebbe a definire meglio il campo applicativo.
Anche l’usura dell’ugello meriterebbe attenzione nel caso di utilizzo prolungato. Molti filamenti caricati con fibre o particelle naturali possono risultare più abrasivi rispetto al PLA puro, anche se lo studio non fornisce dati sufficienti per quantificare questo fenomeno specificamente per la farina di pigna utilizzata.
Le applicazioni più realistiche sono oggetti non strutturali
Sulla base delle prestazioni ottenute, i ricercatori individuano applicazioni come prototipi non portanti, oggetti decorativi per interni, modelli architettonici e packaging leggero.
Sono settori nei quali una resistenza meccanica inferiore rispetto a un materiale ingegneristico può essere accettabile e nei quali anche l’aspetto prodotto dalle particelle naturali può diventare una caratteristica estetica.
Filamenti contenenti legno, sughero, bambù e altri residui vegetali sono già utilizzati nel mercato maker proprio per conferire agli oggetti una superficie e una tonalità differenti dal normale PLA.
La pigna potrebbe inserirsi in questa categoria, con l’ulteriore interesse di valorizzare un materiale forestale disponibile localmente.
È molto meno realistico, almeno sulla base di questi risultati, utilizzare la formulazione per componenti strutturali, parti sottoposte a carichi significativi o applicazioni nelle quali siano richieste proprietà meccaniche certificate.
Il risultato più utile dello studio è proprio il limite che ha individuato
A prima vista si potrebbe considerare deludente scoprire che il materiale migliore contiene soltanto il 5% di pigna.
In realtà è proprio questo uno dei risultati più utili della ricerca.
La sostenibilità dei materiali compositi non può essere valutata semplicemente massimizzando la percentuale di residuo inserita nella plastica. Il nuovo materiale deve continuare a poter essere estruso, avvolto su bobina, alimentato alla stampante e trasformato in un oggetto con prestazioni sufficienti.
Nel sistema studiato dalla Ștefan cel Mare University of Suceava, il 5% rappresenta il compromesso migliore fra quantità di biomassa, regolarità del filamento, resistenza a trazione, duttilità e qualità superficiale.
Al 10% il materiale continua a essere stampabile ma peggiora sotto diversi aspetti. Oltre quella soglia la processabilità stessa diventa problematica.
La strada futura non sarà quindi necessariamente aggiungere sempre più farina, ma migliorare l’interazione fra pigna e PLA attraverso granulometrie più controllate, trattamenti superficiali, compatibilizzanti oppure trasformazioni della biomassa come la produzione di biocarbon.
Lo studio dimostra soprattutto che un residuo semplice e abbondante come una pigna può entrare nella formulazione di un filamento FDM. Dimostrare che questa soluzione possa diventare industrialmente ed ambientalmente preferibile al PLA tradizionale richiederà però ancora una caratterizzazione molto più ampia.
