La stampa 3D può diventare uno strumento per comprendere perché le pietre utilizzate negli edifici storici si degradano e perdono progressivamente parte della loro superficie. È l’obiettivo di un progetto avviato all’ETH Zürich dai gruppi di ricerca dei professori Robert J. Flatt e Benjamin Dillenburger, vincitori di un ETH Collaborative Grant 2026. La ricerca, annunciata l’8 ottobre 2026, prevede di utilizzare la produzione additiva mediante binder jetting per fabbricare pietre artificiali con composizioni, porosità e zone di debolezza controllate, riproducendo in laboratorio alcuni dei meccanismi responsabili del deterioramento delle arenarie presenti in numerosi monumenti svizzeri.
Il progetto si intitola Spatially graded 3D printing to elucidate contour scaling of building stones e affronta un problema particolarmente rilevante nella conservazione del patrimonio architettonico: la formazione di fratture interne parallele alla superficie esposta della pietra, che possono portare al distacco di intere porzioni dello strato esterno. Il fenomeno è conosciuto come contour scaling ed è frequente nelle arenarie della Molassa impiegate nell’Altopiano svizzero.
Il programma combina le competenze della cattedra di Physical Chemistry of Building Materials, diretta da Robert J. Flatt presso il Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e Geomatica, con quelle della cattedra di Digital Building Technologies, diretta da Benjamin Dillenburger presso il Dipartimento di Architettura. La piattaforma di stampa alla base del progetto deriva da un sistema di grande formato sviluppato da Pietro Odaglia, ricercatore del gruppo di Dillenburger.
L’obiettivo non è costruire immediatamente facciate o monumenti interamente stampati in 3D. La prima applicazione riguarda la realizzazione di campioni sperimentali nei quali sarà possibile introdurre, in posizioni note, difetti e variazioni delle proprietà del materiale, successivamente sottoposti a condizioni ambientali accelerate. Una seconda direzione riguarda lo sviluppo di elementi sostitutivi per il restauro degli edifici storici, con caratteristiche progettate per essere compatibili con quelle delle pietre originali.
Il problema delle arenarie della Molassa negli edifici storici svizzeri
Numerosi edifici monumentali dell’Altopiano svizzero sono stati costruiti utilizzando arenarie appartenenti alle formazioni geologiche della Molassa. Queste rocce sedimentarie sono costituite da granuli minerali legati da un cemento naturale la cui composizione può variare sensibilmente a seconda della provenienza.
Alcune arenarie contengono minerali argillosi che reagiscono alla presenza di acqua modificando il proprio volume. Nei materiali contenenti argille espandibili, come determinate smectiti, l’assorbimento di umidità può provocare rigonfiamenti, mentre l’asciugatura produce una contrazione.
Quando questi cicli si ripetono nel tempo, le variazioni dimensionali generano sollecitazioni interne tra granuli, cemento e minerali argillosi. Possono così formarsi microfratture che, accumulandosi, riducono progressivamente la coesione del materiale.
Il danno non interessa necessariamente tutta la pietra in modo uniforme. In alcune condizioni si concentra in una regione situata poco sotto la superficie, a profondità comprese tra pochi millimetri e diversi centimetri.
Quando le microfratture si collegano tra loro, possono formare una superficie di separazione quasi parallela alla facciata. La porzione esterna della pietra perde progressivamente il collegamento meccanico con il materiale sottostante e può infine staccarsi.
È questo il fenomeno del contour scaling, che può compromettere superfici scolpite, dettagli decorativi e rivestimenti storici.
Perché il contour scaling è difficile da riprodurre in laboratorio
La difficoltà maggiore consiste nel ricostruire un processo che, negli edifici storici, può richiedere decenni o secoli.
Le pietre naturali presentano strutture molto eterogenee. Anche blocchi provenienti dalla stessa cava possono differire per distribuzione dei pori, orientamento della stratificazione, composizione minerale, contenuto argilloso e presenza di microfratture.
Un campione estratto da un edificio può inoltre avere già accumulato danni durante la propria storia.
Quando viene sottoposto a prove di invecchiamento accelerato, diventa quindi difficile distinguere i difetti preesistenti da quelli generati dalle condizioni sperimentali.
La ripetibilità è un altro limite. Se due campioni naturali non sono inizialmente equivalenti, eventuali differenze nel comportamento potrebbero dipendere dalla loro struttura originaria e non dal parametro che il ricercatore intende studiare.
Il progetto ETH affronta proprio questo problema: produrre artificialmente più campioni con una geometria e una distribuzione dei difetti note e riproducibili, modificando in modo controllato soltanto alcune proprietà.
La stampa 3D permette così di trasformare la variabilità del materiale da limite sperimentale a variabile intenzionalmente progettata.
Come funziona il binder jetting utilizzato dall’ETH Zürich
La tecnologia scelta dai ricercatori appartiene alla famiglia del Binder Jetting, un processo nel quale un legante viene distribuito selettivamente sopra un letto di materiale granulare.
Nel caso sviluppato presso la cattedra Digital Building Technologies, il materiale di partenza è costituito da polveri e aggregati minerali. Il sistema distribuisce uno strato di materiale sul piano di costruzione e applica selettivamente un liquido attivatore o legante nelle regioni che devono consolidarsi.
Terminata questa operazione, viene depositato un nuovo strato e il processo si ripete fino al completamento del componente.
Il materiale non legato rimane all’interno del letto di polvere e sostiene le geometrie durante la costruzione. Questo consente di produrre forme complesse senza le strutture di supporto utilizzate in altri processi additivi.
A differenza del Powder Bed Fusion metallico, il binder jetting minerale non richiede la fusione del materiale mediante laser. Il consolidamento avviene attraverso i sistemi leganti e le relative reazioni fisiche o chimiche.
La resistenza finale dipende quindi da composizione, granulometria, compattazione del letto, quantità di legante, distribuzione del liquido e condizioni di maturazione.
Il gruppo di Dillenburger ha sviluppato negli anni un’architettura sperimentale che separa il controllo degli aggregati, dei leganti in polvere e degli attivatori liquidi. Questa impostazione è particolarmente importante per la nuova ricerca, perché permette di studiare non soltanto la geometria stampata, ma anche la struttura interna del materiale.
Pietro Odaglia e lo sviluppo di una piattaforma aperta per il binder jetting
La base tecnologica del progetto deriva dalle ricerche di Pietro Odaglia sulla stampa 3D minerale per l’architettura.
Nella sua tesi di dottorato del 2024, intitolata 3D Printing Architecture – Open Framework for Binder Jetting in Construction, Odaglia ha descritto lo sviluppo di una piattaforma flessibile per studiare diversi aggregati, sistemi leganti e strategie di fabbricazione.
La ricerca ha esaminato anche materiali alternativi, tra cui formulazioni geopolimeriche e aggregati riciclati.
Uno degli obiettivi era superare le limitazioni dei sistemi binder jetting progettati per una gamma relativamente ristretta di materiali, creando una piattaforma più adattabile alle esigenze della ricerca architettonica.
Questa flessibilità è utile nel progetto sulle arenarie perché il materiale stampato non deve semplicemente raggiungere la massima resistenza possibile.
Deve invece riprodurre determinate caratteristiche della pietra naturale, comprese porosità, permeabilità, distribuzione della coesione e comportamento all’umidità.
Una formulazione molto resistente ma impermeabile, per esempio, potrebbe risultare inadatta se l’obiettivo è riprodurre una pietra naturale che assorbe acqua e sviluppa tensioni interne durante i cicli di asciugatura.
La novità: variare le proprietà all’interno dello stesso campione
Il cuore tecnologico del progetto è la cosiddetta spatially graded additive manufacturing, cioè la produzione additiva con proprietà del materiale variabili nello spazio.
Nella stampa 3D convenzionale ogni componente è spesso realizzato utilizzando un materiale nominalmente uniforme. È possibile modificare geometria, riempimento e orientamento, ma la composizione del materiale tende a rimanere costante.
Nel sistema che l’ETH intende sviluppare, invece, sarà possibile modificare localmente la quantità e la tipologia degli aggregati, dei leganti e degli attivatori.
Il progetto prevede una stampante sperimentale con doppia alimentazione delle polveri e doppia alimentazione dei liquidi. Questa configurazione dovrebbe consentire di controllare composizione, porosità e aspetto all’interno di uno stesso elemento.
L’obiettivo è ottenere campioni nei quali le proprietà cambino progressivamente oppure presentino discontinuità intenzionalmente progettate.
Per studiare il contour scaling, i ricercatori potrebbero così introdurre una regione interna con minore coesione, modificare la distribuzione dei pori o creare differenti condizioni di trasporto dell’umidità.
È importante precisare che la piattaforma a doppia alimentazione rappresenta uno sviluppo previsto dal programma di ricerca. Il comunicato ETH conferma l’esistenza del sistema binder jetting di grande formato e descrive la possibilità di variare il materiale con una nuova stampante da laboratorio, ma non presenta risultati quantitativi completi di una produzione industriale già qualificata con gradienti composizionali.
Che cosa significa stampare una pietra con difetti controllati
Nello studio dei materiali, un difetto non è necessariamente qualcosa da eliminare. Può essere introdotto intenzionalmente per comprendere come influenza il comportamento del componente.
Nel caso delle arenarie, i ricercatori possono essere interessati a conoscere quanto incidano la posizione di una regione porosa, la presenza di un’interfaccia debole oppure una differenza locale nella capacità di assorbire acqua.
Un campione artificiale potrebbe, per esempio, contenere uno strato superficiale relativamente coeso e una zona sottostante caratterizzata da una minore resistenza meccanica.
Sottoponendo il materiale a cicli di umidificazione e asciugatura, sarebbe possibile osservare se il danno tende a concentrarsi nella regione debole, come avviene in molte pietre naturali.
In altri campioni si potrebbe modificare la profondità di questa regione, mantenendo costante il resto della struttura.
Una serie di prove di questo tipo permetterebbe di verificare quali distribuzioni delle proprietà favoriscano la formazione di fratture parallele alla superficie.
Il principale vantaggio rispetto ai campioni estratti da edifici storici è la possibilità di ripetere la prova con configurazioni nominalmente equivalenti.
Occorrerà comunque dimostrare che il materiale stampato riproduca correttamente i meccanismi di degrado della pietra naturale. Una somiglianza visiva o geometrica non costituisce una validazione delle proprietà fisiche.
L’umidità può danneggiare la pietra anche senza gelo o cristallizzazione dei sali
Il progetto ETH si collega a ricerche condotte sul comportamento delle arenarie contenenti argille.
Uno studio di You Wang e Falk K. Wittel, pubblicato il 21 agosto 2026 su Materials and Structures con il titolo Moisture-induced degradation of clay-bearing sandstone, ha analizzato il deterioramento delle arenarie attraverso un modello accoppiato igro-termo-meccanico.
I ricercatori hanno studiato come i cicli di umidificazione e asciugatura possano modificare la rigidezza del materiale e generare deformazioni associate al rigonfiamento delle argille.
Il risultato è significativo: secondo le simulazioni, il contour scaling può svilupparsi anche attraverso i soli cicli di umidità, senza che sia necessario introdurre nei modelli fenomeni di gelo o cristallizzazione dei sali.
Questo non significa che gelo e sali siano irrilevanti nei monumenti reali. Possono contribuire al danneggiamento e accelerare processi già in corso.
La ricerca mostra però che il trasporto dell’acqua e le deformazioni interne del materiale potrebbero essere sufficienti, in determinate condizioni, a generare zone di danneggiamento compatibili con quelle osservate negli edifici.
Si tratta di un risultato di modellazione scientifica, non della dimostrazione che ogni fenomeno di contour scaling abbia la stessa causa.
La disponibilità di campioni artificiali con proprietà controllate potrebbe permettere di verificare sperimentalmente alcune delle ipotesi sviluppate attraverso questi modelli.
La Cattedrale di Losanna come riferimento per la ricerca
Uno dei casi di studio più importanti per comprendere il deterioramento delle arenarie svizzere è la Cattedrale di Losanna.
L’edificio presenta elementi realizzati con differenti tipi di pietra della Molassa, alcuni dei quali sono particolarmente sensibili all’azione dell’umidità.
Studi condotti da ricercatori dell’ETH hanno analizzato il trasporto dell’acqua nelle facciate mediante misurazioni ambientali e strumenti capaci di osservare la distribuzione dell’umidità all’interno del materiale.
Una ricerca pubblicata sull’International Journal of Architectural Heritage ha evidenziato che l’aspetto esterno della pietra può risultare asciutto anche quando all’interno permane una quantità significativa di acqua liquida.
Le misurazioni hanno inoltre individuato importanti cicli di umidificazione e asciugatura entro i primi centimetri della superficie, in regioni compatibili con quelle interessate da processi di disgregazione.
Il problema è particolarmente complesso perché la quantità totale di pioggia ricevuta da una facciata non descrive da sola il rischio di deterioramento.
Possono risultare determinanti la frequenza dei cicli di bagnatura, la velocità di asciugatura, l’orientamento della superficie, il vento, la temperatura e la capacità della pietra di trasportare acqua attraverso la rete dei pori.
Queste osservazioni forniscono un contesto sperimentale utile al progetto, che intende produrre campioni nei quali alcune delle caratteristiche responsabili del trasporto dell’umidità possano essere progettate e modificate.
Perché la profondità dello strato danneggiato è importante
Nelle arenarie soggette a contour scaling il danno può localizzarsi a pochi centimetri dalla superficie.
Lo studio di Wang e Wittel ha ottenuto, attraverso simulazioni, zone di localizzazione del danno a profondità compatibili con osservazioni effettuate sulla Cattedrale di Losanna, nell’ordine di 3–5 cm.
Il modello ha inoltre individuato regioni di accumulo dell’umidità a profondità maggiori, comprese approssimativamente tra 6 e 10 cm nelle condizioni analizzate.
Questi valori non rappresentano una profondità universale di distacco per qualsiasi arenaria.
Dipendono dalla struttura del materiale, dalle condizioni climatiche e dai vincoli meccanici considerati.
Sono però importanti perché indicano che il danno superficiale osservabile potrebbe essere conseguenza di un processo che si sviluppa più in profondità.
Un intervento di restauro limitato alla superficie esterna potrebbe quindi non affrontare completamente il problema, soprattutto se il materiale sottostante continua ad accumulare acqua e a perdere coesione.
La stampa 3D a gradiente potrebbe essere utilizzata per costruire campioni con differenti profondità di danneggiamento iniziale, verificando come queste influenzino l’evoluzione delle fratture.
Invecchiamento accelerato: riprodurre in laboratorio condizioni che richiedono decenni
Una volta prodotti, i campioni verranno sottoposti a condizioni ambientali severe nelle strutture sperimentali della cattedra Physical Chemistry of Building Materials.
Il progetto prevede prove finalizzate a riprodurre i fattori che provocano il deterioramento delle pietre negli edifici.
Potranno essere analizzati gli effetti della variazione di umidità, della temperatura e di altre condizioni ambientali rilevanti per la conservazione.
Il comunicato non pubblica ancora un protocollo completo di prova, con numero di cicli, temperature, umidità relative e durata delle esposizioni.
Non è quindi possibile attribuire al progetto una specifica campagna sperimentale già conclusa.
Il problema principale dell’invecchiamento accelerato è la rappresentatività. Aumentare semplicemente la frequenza o l’intensità dei cicli può generare meccanismi differenti da quelli che si sviluppano in un edificio durante esposizioni molto lunghe.
Per questo i test devono essere accompagnati da modelli fisici e da misurazioni capaci di stabilire se la distribuzione dell’umidità e delle tensioni sia confrontabile con quella della pietra naturale.
La possibilità di stampare campioni ripetibili consentirà di distinguere più efficacemente gli effetti delle condizioni ambientali da quelli associati alla struttura iniziale del materiale.
Rilevare il danno prima che la superficie si stacchi
Un’altra parte del progetto riguarda lo sviluppo di metodi per individuare rapidamente il contour scaling direttamente negli edifici.
Il problema è che una frattura situata alcuni centimetri sotto la superficie può non essere immediatamente visibile.
La facciata potrebbe apparire integra anche quando lo strato esterno ha già perso parte della sua connessione meccanica con il materiale sottostante.
La possibilità di riconoscere queste condizioni prima del distacco sarebbe utile per programmare interventi di manutenzione e conservazione meno invasivi.
La ricerca ETH prevede quindi di affiancare le prove sui campioni stampati allo studio di metodi di monitoraggio applicabili sul patrimonio costruito.
Non è stata ancora identificata pubblicamente una specifica tecnologia di diagnostica sviluppata nell’ambito del nuovo finanziamento, né sono disponibili valori di sensibilità o accuratezza di un sistema già validato.
L’obiettivo è utilizzare la conoscenza dei meccanismi di degrado per migliorare il riconoscimento del danno e individuare possibili trattamenti capaci di limitarne la propagazione.
Dai campioni sperimentali alle pietre sostitutive per il restauro
Il progetto presenta anche una seconda prospettiva, descritta nelle attività previste per il gruppo Digital Building Technologies: utilizzare il binder jetting per realizzare elementi sostitutivi destinati agli edifici storici.
In questo caso la sfida cambia.
Non si tratta più di produrre intenzionalmente campioni deboli per osservare il deterioramento, ma di creare materiali che possano essere inseriti in una muratura storica senza introdurre incompatibilità dannose.
Una pietra sostitutiva deve presentare caratteristiche coerenti con quelle del materiale esistente, non soltanto per colore e tessitura superficiale, ma anche per comportamento all’umidità, porosità, dilatazione termica e proprietà meccaniche.
Un elemento eccessivamente impermeabile potrebbe modificare il trasporto dell’acqua nella muratura e favorire l’accumulo di umidità nei blocchi adiacenti.
Un materiale troppo rigido potrebbe invece alterare la distribuzione delle tensioni.
La stampa a gradiente offre la possibilità teorica di progettare proprietà differenti in zone diverse dello stesso elemento: una superficie esterna con determinate caratteristiche estetiche e ambientali, una regione interna compatibile con la muratura e una zona di collegamento progettata per interagire con la struttura esistente.
È un obiettivo di ricerca, non una soluzione di restauro già certificata.
La nuova stampante con doppia alimentazione di polveri e liquidi
Il programma di dottorato collegato al finanziamento ETH descrive in modo più dettagliato gli sviluppi previsti per la piattaforma.
Il nuovo sistema sarà una stampante powder-bed da laboratorio derivata dall’architettura di grande formato già realizzata dal gruppo.
La novità riguarda l’introduzione di una doppia alimentazione delle polveri e di una doppia alimentazione dei liquidi, in modo da poter variare indipendentemente più componenti del materiale durante la costruzione.
Questa configurazione dovrebbe permettere di produrre regioni con diverse composizioni e proprietà senza cambiare manualmente il materiale tra una stampa e l’altra.
Il sistema verrà sviluppato e modificato durante il programma sperimentale, mentre i campioni ottenuti saranno utilizzati per verificare come le variazioni di composizione influenzino il comportamento del materiale.
Le capacità sviluppate a scala di laboratorio dovrebbero successivamente essere trasferite alla piattaforma architettonica del gruppo.
Non sono ancora disponibili specifiche complete relative a volume di costruzione, risoluzione spaziale del gradiente, numero di materiali effettivamente miscelabili, velocità di stampa o ripetibilità delle caratteristiche meccaniche.
Questi parametri dovranno essere misurati prima di considerare la tecnologia utilizzabile in una produzione edilizia industriale.
La differenza tra una pietra artificiale e una pietra naturale
Un campione ottenuto mediante binder jetting minerale può riprodurre alcune caratteristiche della pietra naturale, ma non è automaticamente equivalente a una roccia sedimentaria.
Un’arenaria naturale si forma attraverso processi geologici che possono comprendere deposizione, compattazione, cementazione e successive trasformazioni mineralogiche.
La sua microstruttura è il risultato di una storia complessa, spesso caratterizzata da pori irregolari, contatti tra granuli e distribuzioni non uniformi del cemento.
Nel binder jetting, invece, la struttura dipende dalla disposizione delle particelle, dalla compattazione iniziale e dal modo in cui il legante consolida i contatti.
Anche quando la composizione minerale è simile, la distribuzione dei pori e il comportamento meccanico possono differire.
La validazione dovrà quindi considerare proprietà come assorbimento capillare, permeabilità al vapore, distribuzione dimensionale dei pori, resistenza a compressione, resistenza a flessione, modulo elastico e comportamento sotto cicli igrotermici.
Una pietra artificiale che riproduce il meccanismo di degrado può essere un ottimo campione di ricerca anche senza possedere tutte le caratteristiche di una pietra naturale.
Per diventare invece un elemento da restauro, i requisiti di compatibilità e durata saranno molto più severi.
Che cosa rende interessante il progetto per la produzione additiva
Il programma ETH mostra un utilizzo della stampa 3D differente da quello normalmente associato alla produzione edilizia.
La tecnologia non viene impiegata principalmente per realizzare geometrie architettoniche complesse o ridurre il lavoro manuale in cantiere.
Diventa uno strumento di ricerca sui materiali, capace di fabbricare provini con proprietà interne progettate digitalmente.
Questo permette di studiare il rapporto tra microstruttura e deterioramento attraverso esperimenti più controllati rispetto a quelli possibili con campioni naturali.
Il sistema potrebbe inoltre contribuire allo sviluppo di materiali a gradiente funzionale per applicazioni architettoniche.
L’elemento innovativo non consiste soltanto nel depositare due materiali diversi nello stesso pezzo, ma nel collegare la distribuzione spaziale delle proprietà a un modello fisico del comportamento desiderato.
Nel caso del contour scaling, questa distribuzione viene utilizzata per comprendere la formazione del danno. Nel caso dei restauri, potrebbe essere impiegata per progettare elementi più compatibili con l’edificio esistente.
I principali limiti ancora da superare
| Aspetto | Stato della ricerca | Problema ancora aperto |
|---|---|---|
| Binder jetting minerale di grande formato | Sistema sperimentale già sviluppato all’ETH | Controllo delle proprietà sui diversi materiali |
| Stampante a doppia alimentazione | Sviluppo previsto dal progetto | Precisione e ripetibilità dei gradienti |
| Pietre artificiali con difetti controllati | Obiettivo sperimentale | Validazione rispetto alle arenarie naturali |
| Contour scaling | Fenomeno documentato negli edifici storici | Identificazione completa dei meccanismi |
| Modelli igro-termo-meccanici | Risultati scientifici già pubblicati | Conferma sperimentale delle ipotesi |
| Invecchiamento accelerato | Campagne previste | Equivalenza con l’invecchiamento naturale |
| Diagnostica sulle facciate | Obiettivo di ricerca | Sensibilità e affidabilità in condizioni reali |
| Pietre sostitutive stampate | Applicazione di ricerca prevista | Compatibilità e durabilità nel restauro |
| Produzione commerciale | Non annunciata | Scalabilità, costi e qualificazione |
Un finanziamento per collegare scienza dei materiali e fabbricazione digitale
L’ETH Collaborative Grant 2026 assegnato ai gruppi di Robert J. Flatt e Benjamin Dillenburger sostiene un programma nel quale la stampa 3D e lo studio del deterioramento delle pietre vengono sviluppati congiuntamente.
Il finanziamento coinvolge due ambiti di ricerca complementari. Il gruppo di Dillenburger lavorerà sulla macchina e sulle strategie di fabbricazione, mentre quello di Flatt studierà i fenomeni di alterazione e i possibili metodi di individuazione e mitigazione del danno.
Le attività comprendono anche due percorsi di dottorato coordinati tra i rispettivi dipartimenti.
Il comunicato dell’8 ottobre non indica l’importo economico del finanziamento, perciò non è possibile attribuire al programma una cifra specifica senza ulteriore documentazione ufficiale.
Il risultato più importante atteso non è una nuova stampante commerciale o un prodotto edilizio immediatamente disponibile, ma una metodologia sperimentale per controllare la struttura interna di materiali simili alla pietra.
Se il metodo funzionerà come previsto, i ricercatori potranno analizzare con maggiore precisione perché una frattura si sviluppa a una determinata profondità, come l’umidità ne influenza la propagazione e quali caratteristiche del materiale potrebbero limitarla.
In prospettiva, queste informazioni potrebbero contribuire a progettare interventi di conservazione più mirati e nuovi materiali sostitutivi compatibili con il patrimonio architettonico.
La ricerca dimostra così una possibilità particolarmente interessante della produzione additiva: non soltanto costruire oggetti con una geometria controllata, ma progettare la struttura interna dei materiali per comprenderne il comportamento e, successivamente, modificarlo.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI).
