Un gruppo di ricercatori ha analizzato l’utilizzo del poliidrossibutirrato (PHB), un poliidrossialcanoato biobased e biodegradabile, come materiale in polvere per sinterizzazione laser selettiva (SLS), arricchito con una frazione di biocarbon di origine lignocellulosica. L’obiettivo principale dello studio è valutare se una matrice polimerica completamente rinnovabile, combinata con un filler carbonioso ottenuto da biomassa, possa costituire un’alternativa più sostenibile ai tradizionali materiali per SLS, dominati da poliammidi e da polimeri fossili.
I ricercatori hanno prodotto miscele di polvere PHB–biocarbon con diversi contenuti di filler, studiando parametri come la scorrevolezza, la distribuzione granulometrica, la finestra di processo termica e la risposta del materiale all’energia laser. Il riferimento è il comportamento consolidato dei materiali SLS convenzionali, come PA12 e compositi rinforzati, utilizzati per confrontare la lavorabilità e le prestazioni meccaniche dei campioni stampati in 3D.
Perché il PHB e che cos’è il biocarbon utilizzato nello studio
Il PHB appartiene alla famiglia dei poliidrossialcanoati (PHA) prodotti da batteri come materiali di riserva energetica, ed è considerato un polimero biobased e potenzialmente biodegradabile, già studiato in ambito packaging e biomedicale grazie alla sua origine rinnovabile. Dal punto di vista termico, il PHB presenta un intervallo di fusione relativamente stretto e una stabilità limitata, fattori che ne hanno finora frenato l’adozione per processi a letto di polvere come la SLS, dove la finestra tra fusione e degradazione è un parametro critico.
Il biocarbon impiegato dai ricercatori è un materiale carbonioso prodotto a partire da biomassa (ad esempio scarti legnosi o residui agro‑industriali) tramite pirolisi controllata, ottenendo una polvere con elevato contenuto di carbonio e struttura porosa. In ambito materiali, tali biocarbon sono spesso utilizzati come filler per migliorare rigidità, stabilità termica o conducibilità, con il vantaggio di provenire da risorse rinnovabili e di poter contribuire a un bilancio di carbonio più favorevole rispetto ai tradizionali riempitivi minerali.
Preparazione delle polveri e valutazione della finestra di processo SLS
Nello studio, il PHB è stato macinato e classificato per ottenere una distribuzione granulometrica adatta alla deposizione a strato sottile tipica dei sistemi SLS, con particelle in un intervallo di dimensioni analogo a quello dei più comuni materiali in poliammide. Il biocarbon è stato ridotto a una polvere fine e miscelato in percentuali controllate con il PHB, ottenendo blend PHB–biocarbon con diversi tenori di filler per analizzare l’effetto sul comportamento in letto di polvere.
La finestra di processo è stata valutata mediante analisi termiche per definire temperatura di fusione, inizio di degradazione e temperatura ottimale del letto, così da ridurre fenomeni come curling, deformazioni o degrado termico del PHB. Sulla base di questi dati, i ricercatori hanno impostato parametri SLS quali potenza e velocità del laser, temperatura del letto e spessore di strato, confrontando la stabilità del processo e la qualità delle parti ottenute nei diversi blend PHB–biocarbon.
Effetti del biocarbon su densità, microstruttura e proprietà meccaniche
L’aggiunta di biocarbon influenza in modo significativo la densità apparente della polvere e la capacità di compattarsi in strati uniformi all’interno della camera SLS, con ripercussioni dirette sulla porosità delle parti stampate. Le analisi mostrano che, entro certi intervalli di contenuto di filler, è possibile ottenere un compromesso tra scorrevolezza della polvere e densificazione allo stato fuso, mentre percentuali troppo elevate tendono a ridurre la coesione tra particelle e a incrementare la porosità residua.
Dal punto di vista meccanico, i campioni PHB–biocarbon sinterizzati presentano un aumento della rigidezza e della stabilità dimensionale rispetto al PHB puro, a fronte di una possibile riduzione dell’allungamento a rottura, come spesso accade nei compositi polimero‑filler rigidi. La microstruttura osservata in sezione evidenzia reticoli parzialmente fusi, zone di legame tra particelle e distribuzione del filler nel volume, elementi che i ricercatori correlano alle proprietà in trazione e flessione misurate sui provini.
Aspetti di sostenibilità e confronto con i materiali SLS convenzionali
Uno dei temi centrali dello studio è il confronto tra un sistema PHB–biocarbon, basato su polimeri e filler di origine rinnovabile, e materiali SLS quali PA12 o miscele caricate con fibre o vetro. La produzione di poliammidi comporta l’impiego di materie prime fossili, mentre il PHB può essere ottenuto tramite processi fermentativi che utilizzano risorse biologiche, e il biocarbon deriva da biomassa, con un potenziale beneficio in termini di impronta di carbonio complessiva.
I ricercatori ipotizzano che, in applicazioni non strutturali e in settori sensibili alla sostenibilità ambientale, un composito PHB–biocarbon possa rappresentare una soluzione interessante, anche tenendo conto di possibili scenari di fine vita basati su biodegradabilità o recupero energetico controllato. In parallelo, il lavoro evidenzia che resta comunque necessario ottimizzare composizione, parametri SLS e post‑trattamenti per avvicinare le prestazioni di questo materiale bio‑based ai livelli richiesti da componenti funzionali di lungo periodo.
Possibili applicazioni e sviluppi futuri per PHB–biocarbon in SLS
Lo studio suggerisce possibili campi applicativi per i compositi PHB–biocarbon sinterizzati, come prototipi funzionali in ambito consumer, modelli per design sostenibile, parti per dispositivi temporanei o componenti dove la priorità è ridurre l’impatto ambientale più che massimizzare le prestazioni strutturali. In queste applicazioni, la combinazione di un materiale bio‑based con la flessibilità geometrica della SLS può consentire la realizzazione di piccole serie di prodotti personalizzati con una migliore narrativa di sostenibilità.
I ricercatori indicano inoltre varie direzioni di sviluppo, tra cui l’ottimizzazione della dimensione delle particelle di PHB e biocarbon, l’introduzione di additivi per ampliare la finestra di processo termica e la valutazione di miscele multi‑componente con altri PHA o polimeri bio‑based. Un ulteriore tema è l’analisi della ripetibilità del processo SLS su più cicli di riciclo polvere, elemento chiave per la competitività economica e ambientale rispetto alle formulazioni tradizionali.
