Kai Parthy, sviluppatore tedesco noto nel settore dei materiali per stampa 3D e fondatore del marchio Lay Filaments, ha presentato un concetto interessante per il mondo FDM: un filamento cavo, nel quale il materiale funzionale non viene mescolato al polimero, ma inserito libero all’interno della sezione del filo. La proposta riguarda polveri, fibre corte, fibre continue e persino conduttori metallici, con l’obiettivo di superare alcuni limiti tipici dei filamenti compositi tradizionali.
Il limite dei filamenti caricati tradizionali
I filamenti caricati sono già una categoria molto conosciuta. Esistono materiali con fibre di carbonio, fibre di vetro, legno, particelle minerali, polveri metalliche, grafite, carbon black o altri additivi. In questi casi il principio è quasi sempre lo stesso: il filler viene disperso dentro una matrice termoplastica, per esempio PLA, PETG, PA, PC o altri polimeri.
Questo sistema funziona bene quando l’obiettivo è modificare estetica, rigidità, stabilità dimensionale o comportamento superficiale del pezzo. Il problema emerge quando il filler dovrebbe svolgere una funzione fisica precisa, come condurre elettricità, trasmettere luce, rinforzare in modo continuo o creare un percorso interno non interrotto. Nei compositi conduttivi, per esempio, le particelle devono formare una rete continua all’interno del polimero; se restano troppo isolate dalla plastica, la conduttività finale cala molto. La letteratura sui compositi conduttivi per FDM descrive proprio la necessità di creare una rete di percolazione fra i filler conduttivi, perché la matrice polimerica di base è in genere isolante.
L’idea: il polimero come guaina, il filler come contenuto
La proposta di Parthy sposta il ruolo del polimero. Il termoplastico non sarebbe più il mezzo che ingloba e separa le particelle funzionali, ma diventerebbe soprattutto una guaina esterna. Dentro questa guaina resterebbe uno spazio riempito con materiale libero: polvere, fibra, filamento continuo, conduttore o una combinazione di elementi diversi.
In pratica, il filamento diventerebbe più simile a un micro-tubo stampabile. La parte esterna servirebbe a garantire avanzamento nell’estrusore, presa degli ingranaggi, fusione nell’hotend e adesione tra layer. La parte interna porterebbe invece la funzione: conduzione elettrica, rinforzo, trasmissione luminosa, comportamento magnetico o altre proprietà che nei compositi miscelati si perdono o si indeboliscono.
Questo punto è importante: in un filamento conduttivo classico, grafite, argento, rame o carbon black sono spesso circondati dal polimero. In un filamento cavo riempito, le particelle potrebbero toccarsi tra loro con maggiore continuità, almeno lungo l’asse del filo. Il risultato atteso non è automaticamente un cavo elettrico perfetto, ma una struttura nella quale il materiale funzionale ha più possibilità di restare collegato a sé stesso invece di essere completamente disperso nella plastica.
Perché Kai Parthy parte da un problema reale
Kai Parthy non è un nome nuovo per chi segue i materiali FDM. Con Lay Filaments ha lavorato su filamenti particolari come LayWoo-D3, LayBrick, LayCeramic, Reflect-o-Lay, Moldlay, Porolay e Growlay. Già nel 2022 3Druck ricordava i dieci anni di attività di Lay Filaments, citando applicazioni che vanno dai materiali effetto legno ai supporti tecnici, fino a filamenti porosi usati per fantocci a ultrasuoni e Growlay per strutture colonizzabili da piante o micelio.
Il suo percorso è legato alla sperimentazione sui materiali sin dai primi anni della stampa 3D desktop. In una vecchia intervista a 3D Printing Industry, Parthy raccontava di aver iniziato a modificare polimeri e miscele per ridurre il warping e ottenere filamenti più adatti alla stampa su macchine FDM non ancora mature come quelle attuali.
Questo contesto aiuta a leggere la proposta dei filamenti cavi non come un semplice esercizio teorico, ma come un’estensione di una linea di lavoro già vista: prendere un materiale comune, modificarne la struttura e provare a farlo passare dentro una stampante FDM standard o quasi standard.
Elettricità, fibre ottiche e rinforzi continui
Tra gli esempi citati per i filamenti cavi compaiono conduttori metallici, fibre ottiche, fibre di vetro e fibre di carbonio. L’idea di inserire rame o altri conduttori apre scenari per piste elettriche, componenti riscaldanti, elementi sensorizzati o parti che integrano una funzione elettrica senza dover posare manualmente fili dopo la stampa.
Le fibre ottiche o i fili trasparenti potrebbero invece servire per trasmissione di luce o dati all’interno di oggetti stampati. Questo non significa che una normale FDM possa diventare da sola una macchina per produrre cablaggi ottici complessi, ma indica una direzione: usare il percorso del filamento come canale fisico per portare un elemento continuo dentro la geometria del pezzo.
Per le fibre di carbonio il ragionamento è diverso. I filamenti caricati con fibre corte sono già diffusi e offrono maggiore stabilità dimensionale, maggiore rigidità e minore deformazione, ma le fibre corte non lavorano come un rinforzo continuo. Prusa Research, nella propria documentazione sui compositi, ricorda anche che carbonio, vetro e Kevlar sono abrasivi e richiedono ugelli temprati, oltre a poter aumentare fragilità, rischio di intasamento e riduzione dell’adesione tra layer.
Un filamento cavo con fibra continua interna potrebbe quindi offrire una strada differente rispetto al classico composito caricato: non solo plastica più rigida, ma un elemento interno con continuità geometrica. La sfida sarebbe però far sì che questa fibra resti nella posizione corretta, segua le traiettorie impostate dallo slicer e si leghi in modo utile alla matrice esterna.
Il nodo tecnico: produrre un filamento cavo da 1,75 mm
La parte più complessa non è l’idea in sé, ma la produzione del filamento. Un filo da 1,75 mm deve avere diametro controllato, sezione stabile, flessibilità sufficiente per essere avvolto in bobina e resistenza meccanica adeguata per non rompersi nel percorso tra bobina, estrusore e hotend.
Parthy indica anche il diametro da 3,0 mm come possibile candidato, perché offre più spazio interno. Questo formato è meno comune nel mercato desktop attuale rispetto all’1,75 mm, ma resta usato in alcune macchine e potrebbe semplificare la realizzazione di una cavità interna più ampia. La proposta cita inoltre il mondo medicale, dove la produzione di cateteri sottili con geometrie interne definite mostra che tubi di piccolo diametro con sezioni complesse sono tecnicamente realizzabili.
Per una bobina FDM, però, non basta avere un tubo sottile. Il materiale deve scorrere, non collassare, non ovalizzarsi in modo eccessivo e non perdere il contenuto durante la movimentazione. Se all’interno ci sono polveri libere, entrano in gioco altri problemi: distribuzione omogenea, densità apparente, compattazione, segregazione dei granuli, umidità, attrito interno e comportamento durante la fusione del guscio.
Duroplasti e pulverlack: una possibilità poco comune per FDM
Uno degli aspetti più interessanti riguarda i termoindurenti. Le stampanti FDM lavorano di norma con termoplastici, cioè materiali che possono essere ammorbiditi con il calore, estrusi e poi solidificati. I termoindurenti, una volta reticolati o induriti, non tornano fusibili nello stesso modo. Questo li rende poco compatibili con il flusso classico del filamento FDM.
La proposta di Parthy immagina l’uso di polveri di vernici termoindurenti finemente macinate come riempimento libero all’interno del filamento cavo. In questo schema, il materiale termoindurente non dovrebbe essere miscelato intimamente nel polimero esterno prima della stampa. Potrebbe invece essere trasportato dentro la guaina e attivato o consolidato in una fase successiva, a seconda della chimica usata e delle condizioni di processo.
È un passaggio ancora da verificare sul piano pratico, ma tocca un tema importante: portare nella FDM materiali che non sono nativamente comodi per la stampa a filamento. Se questa strada funzionasse, potrebbe aprire applicazioni in rivestimenti funzionali, parti ibride o oggetti con proprietà superficiali e interne non ottenibili con un normale PLA caricato.
Non è solo un filamento alleggerito
Esistono già brevetti e sviluppi su filamenti con anima non piena, microvuoti, schiume o sezioni cave. Un brevetto statunitense pubblicato nel 2021 descrive, per esempio, filamenti con core non solido, micro-schiuma o cavità centrale per ridurre difetti di ritiro e migliorare il flusso in materiali semicristallini.
La proposta di Parthy si colloca in un’altra logica. Qui la cavità non serve solo a ridurre peso, gestire bolle o migliorare la regolarità della sezione. La cavità diventa un contenitore funzionale. È questa differenza a rendere il concetto più vicino a un filamento ibrido che a un semplice materiale alleggerito.
Le possibili applicazioni
Le applicazioni più immediate si possono dividere in alcune famiglie.
La prima riguarda la conduzione elettrica. Un filamento con polveri o microelementi conduttivi in contatto tra loro potrebbe essere usato per tracce, schermature, sensori, superfici antistatiche o zone riscaldanti. Non sostituirebbe automaticamente un circuito stampato o un cavo tradizionale, ma potrebbe semplificare parti dove la funzione elettrica è integrata nella geometria.
La seconda riguarda il rinforzo meccanico. Fibre continue o corte, se gestite correttamente, potrebbero migliorare resistenza e rigidità in direzioni specifiche. Qui la difficoltà è ottenere adesione tra guaina e contenuto, perché un rinforzo interno che scivola o si disaccoppia dalla plastica non trasferisce bene il carico.
La terza riguarda funzioni ottiche o di trasmissione. Fibre o elementi trasparenti dentro il filamento potrebbero portare luce in punti precisi del pezzo, creare indicatori, guide luminose o elementi decorativi funzionali.
La quarta riguarda materiali che oggi vengono usati male o con molte limitazioni in FDM: polveri ceramiche, metalliche, termoindurenti, magnetiche o miscele con granulometrie difficili da disperdere in un filamento classico.
Le difficoltà da risolvere prima di arrivare al mercato
Il concetto è promettente, ma non banale. La prima domanda riguarda l’estrusione del filamento stesso: produrre chilometri di filo cavo riempito, con diametro costante e contenuto uniforme, richiede controllo industriale. Una minima variazione della cavità può cambiare portata, pressione, peso al metro e comportamento in stampa.
La seconda domanda riguarda l’hotend. Quando il guscio termoplastico fonde, il contenuto interno deve uscire in modo prevedibile. Polveri troppo fini potrebbero compattarsi o creare intasamenti; fibre troppo lunghe potrebbero orientarsi male; fili continui potrebbero opporsi alle curve strette o al taglio nelle pause di estrusione.
La terza domanda riguarda lo slicer. Le normali impostazioni FDM presuppongono un filamento omogeneo, con una certa densità e un certo comportamento di flusso. Un filamento cavo riempito potrebbe richiedere profili specifici, velocità più basse, ugelli dedicati, ritrazioni differenti e controlli più accurati della pressione.
La quarta domanda riguarda sicurezza e usura. Alcuni filler, soprattutto fibre di carbonio, vetro, metalli o polveri fini, possono essere abrasivi o richiedere attenzioni nella manipolazione. L’uso di ugelli temprati è già consigliato per molti compositi caricati, e un materiale con contenuto interno funzionale potrebbe richiedere hardware ancora più mirato.
Una direzione interessante per materiali FDM più funzionali
La stampa 3D FDM ha conquistato spazio perché è economica, accessibile e relativamente semplice. Il suo limite, però, resta spesso nei materiali. Si possono stampare forme complesse, ma integrare funzioni reali nel pezzo è più difficile: condurre corrente, trasmettere segnali, rinforzare in modo selettivo, usare materiali non termoplastici o ottenere proprietà interne controllate.
Il filamento cavo riempibile proposto da Kai Parthy prova ad affrontare proprio questo punto. Non cambia il principio della stampa FDM, ma cambia il modo in cui il materiale viene pensato prima di entrare nell’hotend. Il filamento non sarebbe più un corpo omogeneo, ma un piccolo sistema composto da guaina e contenuto.
Resta da capire se questa soluzione possa diventare un prodotto affidabile, ripetibile e compatibile con macchine già diffuse. La differenza tra una buona idea e un materiale realmente usabile passa da prove di stampa, bobine stabili, parametri chiari, sicurezza d’uso e costi sostenibili. Per ora il valore della proposta sta nel mostrare una possibile evoluzione dei filamenti funzionali: non aggiungere sempre più filler dentro la plastica, ma separare il ruolo strutturale del guscio da quello funzionale dell’anima.
