Un gruppo di ricercatori ha sperimentato un sistema di stampa 3D FFF nel quale ivibrazioni meccaniche controllate durante la deposizione del materiale. L’obiettivo è intervenire su uno dei principali punti deboli delle parti prodotte per estrusione di filamento: la qualità dell’unione tra gli strati.
Lo studio, pubblicato il 20 luglio 2026 sulla rivista scientifica Polymers, analizza gli effetti della vibrazione sulla resistenza a trazione, sul limite di snervamento, sul comportamento a flessione, sulla rugosità superficiale e sulla struttura interna di campioni in PLA.
Il lavoro è firmato da Lotfi Ben Said, Fouzi Alhadar, Hamdi Hentati, Mondher Wali, Badreddine Ayadi, Sattam Alharbi e Muapper Alhadri. La ricerca ha ricevuto un finanziamento della University of Ha’il ed è stata condotta con il contributo di ricercatori collegati anche a istituzioni accademiche tunisine.
Per gli esperimenti è stata modificata una stampante 3D Creality Ender-3 Pro. Il materiale utilizzato è un filamento EasyFil PLA da 1,75 millimetri prodotto da FormFutura. I ricercatori hanno installato sotto il piano di stampa un motore vibrante a massa eccentrica, alimentato e regolato in modo da generare diversi livelli di sollecitazione meccanica.
I risultati indicano che una vibrazione moderata può aumentare le proprietà meccaniche dei campioni di circa l’8–15% rispetto alla stampa convenzionale. Le immagini ottenute al microscopio elettronico mostrano inoltre una riduzione di circa il 60% della dimensione media dei pori interni.
Perché gli strati rappresentano il punto debole della stampa FFF
Nella stampa FFF, il filamento termoplastico viene riscaldato nell’estrusore e depositato attraverso un ugello sotto forma di cordoni affiancati. Una volta completato uno strato, la macchina si sposta lungo l’asse verticale e deposita quello successivo.
Il componente non nasce quindi come una massa uniforme. La sua struttura è formata da numerosi filamenti estrusi, uniti sia lateralmente sia verticalmente. La resistenza finale dipende dalla qualità dei singoli cordoni, ma anche dalla superficie di contatto e dalla diffusione delle catene polimeriche tra uno strato e l’altro.
Quando il materiale appena estruso entra in contatto con lo strato sottostante, la temperatura comincia a diminuire. Le catene molecolari perdono mobilità e l’interfaccia si solidifica. Se il raffreddamento è troppo rapido o il contatto tra i cordoni è incompleto, rimangono vuoti e zone di adesione debole.
Il risultato è un materiale anisotropo: una parte stampata può mostrare una buona resistenza lungo la direzione dei filamenti e una resistenza inferiore lungo l’asse verticale. Una forza applicata nella direzione meno favorevole può provocare la separazione degli strati prima della rottura del materiale pieno.
Questo comportamento interessa soprattutto supporti, staffe, attrezzature, custodie e prototipi funzionali sottoposti a trazione, flessione o urti. Anche una geometria progettata correttamente può rompersi se l’orientamento di stampa espone le interfacce tra gli strati alle sollecitazioni principali.
Una Creality Ender-3 Pro modificata con un motore vibrante
Il sistema sperimentale è stato costruito partendo da una Creality Ender-3 Pro, una stampante cartesiana con piano mobile lungo l’asse Y. La scelta di una macchina desktop consente di valutare una soluzione che, almeno dal punto di vista meccanico, non richiede una piattaforma industriale dedicata.
Sotto il piano riscaldato è stato montato un motore ERM, sigla che indica un motore a massa rotante eccentrica. Questo tipo di attuatore contiene un piccolo peso disassato rispetto all’albero. Durante la rotazione, la distribuzione non uniforme della massa genera una vibrazione.
Motori di questo tipo vengono utilizzati anche nei sistemi di segnalazione tattile, ma nell’esperimento il loro compito è trasmettere un’eccitazione meccanica controllata al piano di stampa e, attraverso di esso, al materiale appena depositato.
L’intensità è stata regolata tramite un’alimentazione in corrente continua. I ricercatori hanno così confrontato campioni prodotti senza vibrazione con campioni realizzati utilizzando differenti livelli di eccitazione.
Lo studio non indica il nome dell’azienda produttrice del motore vibrante o dell’alimentatore. Creality e FormFutura sono invece le aziende espressamente associate alla stampante e al filamento impiegati nel programma sperimentale.
Come la vibrazione può modificare il deposito del filamento
La vibrazione non cambia la composizione del PLA e non introduce fibre, cariche o additivi. L’intervento riguarda il comportamento fisico del materiale durante i secondi nei quali il cordone estruso è ancora caldo e deformabile.
Il movimento del piano può favorire un assestamento più uniforme del materiale appena depositato. Il cordone può adattarsi meglio alla superficie sottostante, aumentando l’area effettiva di contatto e riducendo gli spazi vuoti tra filamenti adiacenti.
Una maggiore superficie di contatto offre alle catene polimeriche più possibilità di attraversare l’interfaccia tra due strati. Questo processo, spesso descritto come diffusione o intreccio delle catene, contribuisce alla saldatura del materiale.
La vibrazione può anche distribuire il polimero nelle piccole cavità lasciate dalla geometria quasi cilindrica dei cordoni estrusi. In una sezione trasversale, infatti, i filamenti non riempiono sempre completamente lo spazio disponibile. Tra un cordone e l’altro possono rimanere pori con dimensioni e forme irregolari.
Il meccanismo deve però essere controllato. Un movimento troppo debole può non produrre effetti misurabili, mentre un’eccitazione eccessiva può spostare il materiale, modificare la traiettoria dell’ugello rispetto al piano o amplificare le oscillazioni della struttura della stampante.
Il livello intermedio produce il miglior equilibrio
I risultati non mostrano una relazione nella quale l’aumento continuo della vibrazione genera un miglioramento proporzionale. La configurazione più efficace è risultata quella definita dai ricercatori come Level 2, corrispondente a un livello intermedio.
In questa condizione, le proprietà meccaniche hanno registrato miglioramenti complessivi compresi tra circa l’8% e il 15% rispetto ai campioni stampati senza l’assistenza vibratoria.
Il dato comprende differenti risposte meccaniche e non deve essere interpretato come un aumento uniforme del 15% per ogni proprietà e per ogni configurazione. La resistenza dipende anche dalla velocità di stampa e dall’orientamento delle linee di deposito.
Una vibrazione più intensa può introdurre effetti contrari. Se il piano oscilla con un’ampiezza eccessiva, la posizione relativa tra ugello e superficie varia durante l’estrusione. Il cordone può diventare meno regolare e la precisione dimensionale può diminuire.
Questo risultato è importante dal punto di vista applicativo. Un eventuale sistema commerciale non potrebbe limitarsi ad accendere un motore vibrante alla massima potenza. Dovrebbe controllare frequenza, ampiezza, direzione e durata della vibrazione in relazione alla macchina, al materiale e alla geometria del pezzo.
La dimensione media dei pori diminuisce di circa il 60%
Una parte rilevante della ricerca riguarda l’analisi delle superfici di frattura mediante microscopia elettronica a scansione, indicata con la sigla SEM.
Nei campioni prodotti senza vibrazione, i ricercatori hanno osservato pori più ampi e interfacce tra filamenti maggiormente distinguibili. Le cavità possono agire come punti di concentrazione delle tensioni. Quando il componente viene caricato, una cricca può iniziare in corrispondenza di questi difetti e propagarsi lungo il percorso meno resistente.
Nei campioni prodotti con vibrazione moderata, la dimensione media dei pori è scesa di circa il 60%. Altri lavori collegati alla stessa linea di ricerca hanno riportato il passaggio da cavità nell’ordine di 160–170 micrometri a valori vicini a 70 micrometri.
Le immagini mostrano anche una maggiore fusione tra i cordoni e una separazione meno netta delle interfacce. Questo comportamento è coerente con l’aumento della resistenza misurato durante le prove meccaniche.
La riduzione della dimensione dei pori non significa che il componente sia completamente privo di vuoti. La stampa FFF continua a produrre una struttura legata alle traiettorie di deposizione, alle tolleranze della macchina e al comportamento del materiale fuso.
Per applicazioni strutturali, sarebbe inoltre utile misurare il volume complessivo della porosità mediante tomografia computerizzata. La microscopia elettronica descrive con grande dettaglio alcune zone della superficie analizzata, ma non ricostruisce da sola l’intero volume del campione.
Le prove a trazione, flessione e snervamento
I campioni sono stati sottoposti a prove che permettono di separare differenti aspetti del comportamento meccanico.
La resistenza a trazione misura la capacità del provino di sopportare una forza che tende ad allungarlo. Il carico massimo raggiunto prima della rottura viene utilizzato per calcolare la resistenza ultima.
Il limite di snervamento indica il punto oltre il quale la deformazione non è più completamente reversibile. Per il PLA stampato, questo parametro può essere influenzato dalla struttura interna, dalla direzione delle linee e dalla presenza di difetti.
La prova di flessione sottopone invece il campione a una combinazione di trazione e compressione. La superficie esterna della curva viene allungata, mentre quella interna viene compressa. Una scarsa adesione tra gli strati può favorire la formazione di cricche nella zona sottoposta a trazione.
La vibrazione moderata ha migliorato la risposta dei provini in queste condizioni, indicando che l’effetto non riguarda un’unica modalità di carico. Il miglioramento appare collegato alla maggiore continuità della struttura e alla riduzione dei vuoti interni.
I dati restano però riferiti a campioni standardizzati e a una specifica combinazione di stampante, filamento e parametri. Un componente con pareti sottili, ponti, sbalzi o geometrie alte potrebbe rispondere in modo differente.
Velocità di stampa e orientamento delle linee rimangono decisivi
La vibrazione è stata analizzata insieme alla velocità di stampa e all’angolo di raster, cioè la direzione seguita dalle linee di materiale all’interno di ogni strato.
La velocità determina il tempo disponibile per depositare il materiale e il periodo durante il quale il filamento rimane abbastanza caldo da aderire allo strato precedente. Aumentando la velocità, il cordone può ricevere meno calore per unità di lunghezza e avere meno tempo per stabilizzarsi.
Una velocità troppo elevata può inoltre provocare variazioni nella portata, sottoestrusione e discontinuità. Una velocità contenuta favorisce il controllo del deposito, ma aumenta il tempo necessario per completare il componente.
L’angolo di raster modifica invece il modo in cui il carico viene distribuito. Linee orientate nella stessa direzione della forza di trazione sfruttano maggiormente la continuità del filamento. Linee perpendicolari trasferiscono una quota maggiore del carico alle interfacce.
Gli schemi alternati, come 0°/90° o ±45°, vengono utilizzati per ottenere un comportamento meno dipendente da una sola direzione. Questo equilibrio può però ridurre il valore massimo raggiungibile lungo un asse specifico.
Nello studio, l’angolo di raster è risultato il fattore dominante per la rugosità superficiale. Gli angoli più bassi, combinati con una vibrazione moderata, hanno prodotto una finitura migliore rispetto alle configurazioni meno favorevoli.
La vibrazione non modifica la chimica del PLA
I ricercatori hanno utilizzato la spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier, o FTIR, per verificare se la vibrazione avesse modificato la struttura chimica del materiale.
Gli spettri dei diversi campioni non hanno mostrato cambiamenti significativi nei principali gruppi chimici del PLA. Il miglioramento meccanico non deriva quindi dalla formazione di un nuovo composto o da una reazione chimica indotta dal sistema.
Il risultato sostiene l’interpretazione di un fenomeno principalmente fisico e microstrutturale. La vibrazione influenza il modo in cui i cordoni si posizionano e si uniscono, senza trasformare la composizione del filamento EasyFil PLA fornito da FormFutura.
Questa distinzione è utile anche per la ripetibilità. L’introduzione di additivi richiederebbe la produzione di un nuovo filamento, il controllo della dispersione e una valutazione delle proprietà termiche. Un sistema vibratorio può invece essere applicato durante il processo, lasciando invariato il materiale di partenza.
Un’alternativa alla sola gestione della temperatura
Molti metodi impiegati per aumentare l’adesione tra gli strati si basano sul controllo termico. La temperatura dell’ugello può essere alzata, la ventilazione può essere ridotta e il volume di stampa può essere chiuso in una camera riscaldata.
Mantenere il materiale caldo più a lungo facilita la diffusione delle catene polimeriche, ma comporta alcuni compromessi. Una temperatura eccessiva può aumentare colature, fili residui, deformazioni e perdita di dettaglio.
Una camera riscaldata aggiunge costi, consumo energetico e complessità. La Creality Ender-3 Pro utilizzata nello studio è una macchina aperta e non nasce con una camera termica controllata.
La vibrazione potrebbe affiancare la gestione della temperatura senza sostituirla. Il sistema agisce sul contatto fisico, mentre il calore determina la mobilità delle catene. Una configurazione ottimizzata potrebbe combinare temperatura dell’ugello, temperatura del piano, raffreddamento e vibrazione.
Sarà però necessario verificare se il miglioramento ottenuto con il motore eccentrico rimane vantaggioso quando la stampante è già dotata di camera riscaldata o di un sistema termico più controllato.
La differenza rispetto alle vibrazioni ultrasoniche
La soluzione analizzata nello studio utilizza vibrazioni meccaniche a bassa frequenza trasmesse dal piano. Altri gruppi di ricerca hanno sperimentato sistemi ultrasonici applicati all’ugello, alla testina o direttamente alla zona di deposizione.
Le vibrazioni ultrasoniche operano a frequenze nell’ordine delle decine di kilohertz. Un precedente studio sull’ABS ha utilizzato un’eccitazione di 34,4 kHz attraverso la testina, ottenendo un aumento dell’adesione tra gli strati fino al 10%.
Sono stati studiati anche sistemi ultrasonici per compositi a matrice PLA contenenti idrossiapatite e per materiali rinforzati con particelle. In questi casi, l’eccitazione può migliorare la distribuzione della fase dispersa e ridurre i vuoti.
Un sistema ultrasonico richiede trasduttori, accoppiamento meccanico e componenti capaci di lavorare alla frequenza prevista. Il motore ERM montato sulla Creality Ender-3 Pro presenta una configurazione più semplice, ma genera movimenti dell’intero piano e può influire maggiormente sulla precisione della macchina.
Le due soluzioni non sono quindi equivalenti. La scelta dipende dal costo, dalla geometria della stampante, dalla frequenza richiesta e dal punto nel quale si vuole trasferire l’energia.
Le difficoltà di un’applicazione sulle stampanti commerciali
Trasformare il prototipo in un accessorio per stampanti 3D richiederebbe un sistema di controllo più avanzato rispetto a una semplice regolazione della tensione del motore.
Ogni stampante possiede frequenze proprie determinate dalla massa del piano, dalla rigidità del telaio, dalle guide, dalle cinghie e dal componente in costruzione. Una frequenza adatta alla Creality Ender-3 Pro potrebbe produrre risultati diversi su una macchina CoreXY, su una stampante con piano fisso o su un sistema industriale.
Anche il peso del pezzo cambia durante la stampa. Nei primi strati, il piano sostiene una massa ridotta; al termine di un componente voluminoso, il carico può essere maggiore. La risposta dinamica del sistema può quindi variare nel corso dello stesso lavoro.
La vibrazione deve inoltre essere separata dagli effetti indesiderati che i produttori cercano normalmente di eliminare, come ringing e ghosting. Questi difetti appaiono sulle superfici come ondulazioni successive a un cambio di direzione e derivano dalle oscillazioni del telaio o della testina.
Un sistema commerciale potrebbe richiedere accelerometri, sensori di posizione e un controllo in retroazione. Il software dovrebbe adattare la vibrazione in base al materiale, alla velocità, all’altezza del componente e alla fase del percorso.
Dal PLA ad ABS, PETG, nylon e compositi
Il PLA è adatto come materiale di riferimento perché è diffuso, presenta una contrazione contenuta ed è compatibile con molte stampanti desktop. I risultati non possono però essere trasferiti senza prove ad altri polimeri.
L’ABS tende a deformarsi durante il raffreddamento e beneficia maggiormente di una camera calda. Una vibrazione del piano potrebbe migliorare il contatto locale, ma potrebbe anche interagire con le tensioni termiche e con il warping.
Il PETG presenta una maggiore adesione tra gli strati rispetto a molte formulazioni di PLA, ma è sensibile a stringing e accumuli di materiale sull’ugello. Il vantaggio della vibrazione potrebbe quindi manifestarsi in modo differente.
Il nylon assorbe umidità e richiede una gestione accurata dell’essiccazione. Le bolle provocate dall’acqua possono generare porosità che un movimento meccanico non è in grado di eliminare completamente.
Nei compositi caricati con fibre corte, polveri metalliche o particelle ceramiche, la vibrazione potrebbe influenzare sia l’adesione sia la distribuzione del rinforzo. Dovranno essere valutati anche usura dell’ugello, viscosità e orientamento delle fibre.
Quali applicazioni potrebbero beneficiarne
Un miglioramento dell’8–15% non trasforma il PLA in un materiale adatto a qualsiasi impiego strutturale, ma può aumentare il margine di sicurezza di componenti già compatibili con le sue proprietà.
Tra le applicazioni possibili rientrano dime di montaggio, supporti, staffe, involucri, utensili leggeri, dispositivi didattici e prototipi sottoposti a carichi moderati.
La riduzione della porosità può essere utile anche per parti che devono contenere aria o liquidi a bassa pressione, sebbene la tenuta debba essere verificata con prove specifiche. Porosità ridotta non equivale automaticamente a impermeabilità.
Nel settore biomedicale, una struttura più uniforme potrebbe interessare dispositivi personalizzati e modelli anatomici, ma l’impiego clinico richiederebbe materiali certificati, processi convalidati e controlli più rigorosi rispetto a quelli di una stampante desktop.
Un altro possibile campo è la produzione di anime, modelli sacrificabili e attrezzature per compositi, dove la qualità superficiale e la stabilità del componente possono incidere sulle fasi successive.
I prossimi passaggi della ricerca
La sperimentazione dimostra che il piano di stampa può diventare un parametro attivo del processo e non soltanto una superficie di supporto.
Per valutare la maturità della soluzione serviranno prove di fatica, impatto e resistenza a lungo termine. Un aumento della resistenza statica non garantisce che il componente mantenga lo stesso vantaggio dopo migliaia di cicli di carico.
Sarà necessario misurare anche accuratezza dimensionale, tolleranze, planarità e ripetibilità tra stampe eseguite in giorni differenti. La superficie potrebbe apparire migliore in alcune configurazioni e peggiorare in altre se la vibrazione entra in risonanza con il sistema meccanico.
Il consumo energetico del motore vibrante dovrebbe essere confrontato con quello di altre soluzioni, come camere riscaldate o sistemi ad aria calda localizzata. Per una valutazione industriale contano non soltanto la resistenza ottenuta, ma anche il tempo ciclo, il costo dell’attrezzatura, la manutenzione e la percentuale di parti conformi.
Un altro sviluppo riguarda il controllo localizzato. La vibrazione potrebbe essere applicata soltanto durante la costruzione di zone critiche, per esempio in corrispondenza di un raccordo, di una sezione sottile o di un cambio nella direzione dei carichi.
Una modifica semplice, ma dipendente dalla calibrazione
Il lavoro pubblicato da MDPI sulla rivista Polymers mostra che una vibrazione meccanica moderata del piano può migliorare la struttura interna dei campioni stampati con la Creality Ender-3 Pro e il filamento EasyFil PLA di FormFutura.
Il vantaggio deriva soprattutto dalla riduzione dei pori e dalla maggiore fusione tra i cordoni, mentre la spettroscopia FTIR indica che la struttura chimica del PLA rimane invariata.
Il risultato più importante non è l’introduzione indiscriminata delle vibrazioni nella stampa 3D, ma l’individuazione di una finestra di processo controllata. Il livello intermedio ha prodotto il miglior equilibrio, mentre intensità differenti possono modificare precisione, finitura e ripetibilità.
Per passare dal laboratorio a un sistema utilizzabile su più macchine sarà necessario collegare la vibrazione agli altri parametri di processo. Frequenza, ampiezza, velocità, orientamento del riempimento, temperatura e geometria dovranno essere gestiti come parti dello stesso sistema.
La ricerca amplia quindi le possibilità di ottimizzazione della stampa FFF senza richiedere una nuova formulazione del materiale. I risultati restano riferiti al PLA e alla configurazione sperimentale scelta, ma forniscono una base misurabile per ulteriori prove su polimeri tecnici, materiali compositi e piattaforme di produzione differenti.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)