IBM studia la stampa 5D con due robot che collaborano durante la produzione
IBM ha depositato una domanda di brevetto per un sistema di produzione definito “5D printing”, nel quale due sistemi robotici lavorano sullo stesso componente e modificano il proprio comportamento durante la lavorazione per compensare spostamenti, vibrazioni e forze impreviste.
La proposta di International Business Machines Corporation (IBM) è descritta nella domanda di brevetto statunitense US20260225318A1, intitolata “5D Printing With Dynamically Collaborating Robotic Systems”. La domanda è stata depositata il 5 febbraio 2025 e pubblicata il 6 agosto 2026.
È importante precisare la natura del documento: si tratta di una domanda di brevetto pubblicata e non, allo stato indicato dalla documentazione disponibile, della concessione definitiva di un brevetto statunitense.
Gli inventori indicati sono Sarbajit Kumar Rakshit, Martin G. Keen, Carolina Garcia Delgado e Aaron Keith Baughman, mentre il richiedente è IBM, con sede ad Armonk, nello Stato di New York.
Dietro l’espressione “5D printing” non si nasconde l’introduzione di due nuove dimensioni fisiche. IBM utilizza questo termine per descrivere un sistema nel quale ai tre assi spaziali X, Y e Z si aggiungono due gradi di libertà rotazionali tra utensile e componente.
Questa configurazione permette alla macchina di cambiare continuamente l’orientamento relativo tra la superficie da lavorare e l’utensile.
Ed è proprio questa libertà di movimento a creare contemporaneamente le opportunità e i problemi che IBM cerca di affrontare.
Che cosa significa realmente “stampa 5D”
Una stampante 3D convenzionale a estrusione costruisce normalmente il componente depositando strati sostanzialmente paralleli al piano di stampa.
La testa si muove lungo X e Y mentre la distanza lungo Z cambia progressivamente. Anche quando la cinematica della macchina è differente, il principio rimane in molti casi quello della sovrapposizione di strati con orientamento pressoché costante.
Una macchina multi-assiale può invece inclinare o ruotare il componente durante la deposizione.
La superficie sulla quale viene aggiunto il materiale non deve quindi rimanere parallela al piano iniziale.
Nella terminologia adottata da IBM, i tre movimenti traslazionali vengono combinati con due movimenti rotazionali, da cui deriva l’indicazione “5D”.
Dal punto di vista dell’ingegneria manifatturiera, il concetto è strettamente collegato alla stampa 3D a cinque assi e alla produzione additiva multi-assiale, tecnologie che vengono studiate da diversi gruppi di ricerca.
La denominazione “5D printing” utilizzata da IBM non deve invece essere confusa con la cosiddetta stampa 4D.
La differenza rispetto alla stampa 4D
Nella stampa 4D, la quarta dimensione viene normalmente associata al tempo.
Il componente viene fabbricato attraverso un processo additivo ma è progettato in modo da cambiare forma, proprietà o configurazione quando viene sottoposto a uno stimolo, per esempio temperatura, umidità, luce o campo magnetico.
Il termine “5D” impiegato da IBM ha un significato completamente differente.
Il componente non acquista due nuove dimensioni e non deve necessariamente trasformarsi dopo la produzione.
Sono invece utensile e pezzo a poter assumere un maggior numero di orientamenti reciproci durante la lavorazione.
Si tratta quindi soprattutto di una questione di cinematica della macchina e controllo della produzione.
Perché aggiungere due assi alla stampa 3D
L’utilizzo di più assi permette di superare alcuni vincoli derivanti dalla costruzione attraverso strati piani.
Una superficie inclinata può, per esempio, essere orientata verso l’ugello mentre viene depositato il materiale.
In determinate geometrie questo consente di ridurre la necessità di strutture di supporto.
Gli strati possono inoltre seguire superfici curve anziché essere necessariamente organizzati come una successione di piani orizzontali.
La letteratura scientifica sulla produzione additiva multi-assiale ha mostrato che la possibilità di modificare la direzione di deposizione può essere utilizzata per affrontare sbalzi complessi, limitare alcune strutture di supporto e orientare il materiale in funzione della geometria o delle sollecitazioni previste sul componente.
Uno studio sperimentale dedicato alla stampa FDM a cinque assi di strutture a sbalzo ha, per esempio, misurato per le geometrie analizzate riduzioni sia del materiale necessario sia del tempo di fabbricazione rispetto alla strategia tradizionale a tre assi.
Questi risultati non possono essere generalizzati automaticamente a qualsiasi pezzo o processo, ma mostrano perché il settore continui a studiare la deposizione multi-assiale.
Il problema diventa mantenere sincronizzati utensile e componente
L’aumento dei gradi di libertà complica però notevolmente il controllo.
In una stampante tradizionale il piano di costruzione rimane normalmente in una posizione nota rispetto alla macchina.
In un sistema come quello descritto da IBM, il pezzo può essere ruotato, inclinato e spostato mentre un secondo sistema robotico sta lavorando sulla sua superficie.
Se il componente si muove anche leggermente rispetto alla posizione prevista dal programma, la traiettoria dell’utensile può non coincidere più con quella progettata.
Durante una deposizione additiva, ciò potrebbe significare estrudere materiale qualche decimo di millimetro lontano dalla posizione prevista.
Nel caso di un’operazione sottrattiva, invece, una variazione potrebbe far rimuovere materiale nella posizione sbagliata.
Più aumentano la complessità geometrica e la libertà dei robot, maggiore diventa quindi l’importanza di conoscere continuamente la posizione reale del pezzo.
IBM propone due sistemi robotici che collaborano
Il sistema descritto da IBM utilizza almeno due apparati robotici con compiti differenti.
Un primo robot mantiene e orienta il componente.
Il secondo esegue una lavorazione attraverso un utensile.
L’utensile può essere una testa per produzione additiva, ma il brevetto considera anche lavorazioni sottrattive e altri processi.
Il punto interessante non consiste semplicemente nel mettere due robot uno di fronte all’altro. Soluzioni industriali con più robot esistono già.
IBM concentra invece l’attenzione sulla capacità dei due sistemi di reagire reciprocamente a ciò che accade durante il processo.
Se l’utensile produce una forza che sposta il componente, il sistema che lo sostiene può modificare la propria posizione o la forza di presa.
Allo stesso tempo, il robot che esegue la lavorazione può cambiare i propri parametri.
I due sistemi non vengono quindi trattati come macchine indipendenti che eseguono programmi prestabiliti, ma come elementi di uno stesso anello di controllo.
Il pezzo non rimane identico durante la produzione
Una delle difficoltà affrontate dalla domanda di brevetto di IBM riguarda un aspetto apparentemente semplice: durante la produzione additiva il componente cambia continuamente.
A ogni passaggio viene aggiunto materiale.
Aumentano quindi massa, distribuzione del peso e, potenzialmente, posizione del centro di massa.
Se il componente viene sostenuto da un braccio robotico anziché appoggiato su un piano rigido, queste variazioni diventano importanti.
Un oggetto che all’inizio pesa poco può esercitare forze differenti sul sistema di presa dopo che una quantità consistente di materiale è stata depositata su un lato.
Nella produzione sottrattiva avviene il processo opposto: la rimozione del materiale può modificare nuovamente massa e bilanciamento.
Il controllore previsto da IBM può utilizzare queste informazioni per modificare il comportamento del robot che sostiene il pezzo.
Sensori per capire cosa sta accadendo durante la lavorazione
Per effettuare le correzioni il sistema deve prima rilevare la differenza tra la posizione teorica del componente e quella reale.
La proposta di IBM contempla l’utilizzo di differenti sistemi sensoriali.
Tra questi possono figurare telecamere per controllare posizione e orientamento del pezzo, sensori di vibrazione, sensori di temperatura, misurazioni di forza e coppia e altri dispositivi capaci di descrivere ciò che sta avvenendo durante il processo.
Il principio è quello di un controllo ad anello chiuso.
Il programma non invia semplicemente una serie di comandi ai robot aspettandosi che vengano eseguiti perfettamente.
I sensori misurano gli effetti di quei comandi.
Il controllore confronta il comportamento osservato con quello previsto.
Quando rileva una deviazione, può intervenire.
Correggere il processo mentre la macchina continua a lavorare
Se viene individuato un movimento indesiderato, il sistema di IBM può intervenire su differenti parametri.
In un processo a estrusione può essere modificata, per esempio, la velocità con cui viene alimentato il materiale.
Con una lavorazione sottrattiva può essere variata la velocità dell’utensile.
Nel caso di processi laser può essere modificata l’intensità.
Il robot che mantiene il pezzo può contemporaneamente cambiare posizione, orientamento, forza di presa oppure esercitare una forza capace di contrastare quella generata dalla lavorazione.
Questa collaborazione dinamica rappresenta il nucleo della domanda di brevetto.
L’obiettivo è evitare che piccoli errori meccanici si accumulino durante una sequenza di operazioni molto più complessa rispetto a quella di una normale stampante cartesiana.
Un controllo ad anello chiuso è particolarmente importante nel multi-asse
Il problema individuato da IBM trova riscontro anche nella ricerca sulla produzione additiva multi-assiale.
Nel 2025 un gruppo della Hong Kong University of Science and Technology ha presentato, nell’ambito di un lavoro pubblicato da ASME, un sistema di controllo ad anello chiuso per la deposizione multi-assiale di materiali compositi con fibra continua.
Il sistema utilizzava una cella di carico a sei gradi di libertà per misurare la forza di contatto e modificava durante la stampa la distanza tra ugello e superficie.
I ricercatori hanno rilevato una riduzione di difetti quali ponti e slittamenti delle fibre.
L’implementazione è differente dalla proposta brevettuale di IBM, ma il principio evidenzia la stessa difficoltà: quando la deposizione avviene su superfici curve e il sistema possiede molti gradi di libertà, affidarsi esclusivamente alla traiettoria calcolata prima della stampa può non essere sufficiente.
La macchina deve conoscere anche quello che sta realmente accadendo.
Dalla stampa additiva a una cella produttiva ibrida
Un altro elemento della proposta di IBM riguarda la possibilità di utilizzare differenti utensili.
Il secondo robot non deve necessariamente svolgere soltanto un processo additivo.
Potrebbe anche fresare, forare, rifinire o effettuare altre lavorazioni.
Questo porta il concetto oltre quello di una stampante 3D convenzionale.
Il sistema si avvicina maggiormente a una cella robotizzata di produzione ibrida, nella quale la stessa parte passa attraverso più operazioni senza essere necessariamente rimossa e riposizionata manualmente.
Il componente potrebbe essere parzialmente costruito attraverso deposizione additiva, ruotato, lavorato con un utensile sottrattivo e successivamente sottoposto a una nuova fase di deposizione.
IBM sta studiando anche l’integrazione tra stampa 5D e CNC
La domanda US20260225318A1 non è isolata.
Nel luglio 2026 è stata pubblicata un’altra domanda di brevetto di IBM, intitolata “Five-Dimensional Printing With CNC Integration”.
In questo caso IBM descrive un sistema nel quale la struttura viene prodotta attraverso un processo additivo e successivamente controllata per individuare eventuali difetti.
Quando viene rilevata una zona che non corrisponde al modello previsto, un processo sottrattivo CNC può rimuovere il materiale in eccesso.
Successivamente il processo additivo può riprendere.
Il documento contempla anche la possibilità di utilizzare una scansione tridimensionale del componente e confrontarla con il progetto digitale originale.
Si crea così un ciclo composto da produzione, controllo, correzione e nuova produzione.
Individuare e correggere un difetto senza scartare il pezzo
Questo approccio affronta un problema concreto della produzione additiva.
Se durante una stampa compare una deformazione o viene depositato troppo materiale in una determinata area, una macchina tradizionale può non essere in grado di recuperare autonomamente il pezzo.
In una cella ibrida, invece, il sistema potrebbe identificare la posizione tridimensionale del difetto, rimuovere localmente il materiale e riprendere la costruzione.
Non significa che ogni difetto possa essere riparato in questo modo.
Una delaminazione interna, una porosità critica oppure un problema metallurgico richiedono analisi differenti.
Per alcuni errori geometrici, però, l’integrazione tra processi additivi, misura e lavorazione CNC può evitare di trattare ogni deviazione come un fallimento irreversibile.
La scansione 3D potrebbe diventare parte del ciclo
La domanda di IBM relativa all’integrazione CNC considera esplicitamente anche l’utilizzo della scansione 3D.
Il componente prodotto può essere digitalizzato e il risultato confrontato con il modello originario.
L’algoritmo individua quindi le zone nelle quali la superficie reale supera una determinata soglia di deviazione.
Se viene rilevato materiale in eccesso, il sistema può determinare la posizione corrispondente nello spazio tridimensionale e comandare una lavorazione sottrattiva.
Questo schema riunisce tecnologie che nelle fabbriche sono spesso organizzate in stazioni separate: produzione additiva, metrologia, scansione e lavorazione CNC.
IBM ha depositato anche una domanda sulla selezione delle leghe
Un’altra domanda pubblicata nel luglio 2026 riguarda la “Intelligent Alloy Selection for Five Dimensional Printing”.
In questo caso IBM sposta l’attenzione dal movimento della macchina alla scelta dei materiali.
È un ulteriore indizio del fatto che l’azienda sta esplorando la stampa multi-assiale non come singolo dispositivo, ma come sistema nel quale software, controllo, robotica e materiali vengono gestiti congiuntamente.
Considerate insieme, queste domande delineano una linea di ricerca brevettuale più ampia sulla produzione additiva controllata attraverso sistemi informatici.
IBM sta lavorando anche sull’intelligenza artificiale per il controllo delle stampanti 3D
Nel giugno 2026 è stata inoltre pubblicata la domanda di brevetto di IBM “Managing Three-Dimensional Printers Using an Artificial Intelligence Enabled Decision Engine”.
La proposta riguarda l’utilizzo di dati provenienti da sensori e modelli di machine learning per modificare i parametri della macchina durante la produzione.
Il sistema prende in considerazione variabili interne ed esterne al processo, comprese condizioni ambientali in grado di influenzare la stampa.
Anche in questo caso emerge lo stesso orientamento generale: passare da una macchina che esegue ciecamente un percorso predefinito a una macchina che misura l’ambiente, interpreta ciò che accade e modifica i parametri durante la costruzione.
Il brevetto sulla “5D printing” applica questa logica a un problema ancora più complesso, perché non deve essere controllato un solo sistema di movimento, ma devono essere coordinate più unità robotiche.
La calibrazione è uno dei problemi delle celle con più robot
Quando due robot devono lavorare sullo stesso pezzo, entrambi devono conoscere con precisione la relazione tra i rispettivi sistemi di coordinate.
Un robot può sapere perfettamente dove si trova il proprio utensile rispetto alla propria base, ma questo non significa automaticamente che conosca con uguale precisione la posizione dell’oggetto sostenuto da un secondo robot.
Normalmente sono quindi necessarie procedure di calibrazione.
Se viene cambiato un utensile, modificato il sistema di presa o sostituito uno dei robot, alcune relazioni geometriche devono essere determinate nuovamente.
IBM ipotizza che il monitoraggio continuo e la collaborazione dinamica possano permettere a sistemi differenti di lavorare insieme riducendo la dipendenza da una calibrazione estremamente rigida eseguita prima di ogni processo.
Questo è uno degli aspetti più interessanti della proposta, ma anche uno di quelli che richiederebbero una dimostrazione pratica per valutarne le prestazioni effettive.
L’obiettivo non è soltanto una stampante con più assi
A prima vista il brevetto potrebbe sembrare semplicemente una variante di una stampante 3D a cinque assi.
In realtà la caratteristica che distingue maggiormente la proposta di IBM è la distribuzione delle funzioni tra sistemi robotici indipendenti.
Un robot può occuparsi del componente.
Un altro può occuparsi dell’utensile.
Sensori indipendenti possono controllare il processo.
Un sistema informatico coordina le informazioni provenienti dalle diverse unità.
In questo modo la piattaforma potrebbe teoricamente essere riconfigurata associando robot, utensili e sistemi di presa differenti.
Il concetto si avvicina quindi a una produzione modulare nella quale le capacità della cella dipendono dalle unità che vengono collegate attraverso il sistema di controllo.
Dalla macchina specializzata all’orchestrazione di più macchine
Questo punto è particolarmente coerente con il tipo di tecnologie sviluppate da IBM.
IBM non è uno dei principali produttori mondiali di stampanti 3D industriali e la domanda di brevetto non equivale all’annuncio di una nuova macchina commerciale.
L’interesse dell’azienda appare concentrato soprattutto sulla logica di controllo e sull’orchestrazione dei sistemi.
In questa prospettiva, l’elemento centrale non sarebbe costruire una specifica stampante 5D, ma fare in modo che più apparati robotici possano collaborare per realizzare una lavorazione complessa.
Il valore tecnologico si sposta quindi dall’architettura meccanica della singola macchina verso il software che coordina l’intera cella produttiva.
La produzione multi-assiale introduce anche nuovi problemi di pianificazione
Aumentare i gradi di libertà non significa soltanto aggiungere motori.
Il software deve generare traiettorie prive di collisioni.
Deve stabilire quale parte della geometria costruire per prima.
Deve evitare che l’ugello, il robot o il sistema di presa entrino in collisione con ciò che è già stato prodotto.
Deve mantenere una distanza corretta dalla superficie e, nel caso dell’estrusione, coordinare portata del materiale e velocità del movimento.
Anche il slicing diventa più complesso.
Nella stampa tradizionale è sufficiente, semplificando, intersecare il modello con una serie di piani.
Nella produzione conformale e multi-assiale, invece, gli strati possono diventare superfici curve e la direzione di deposizione può cambiare durante la costruzione.
Progetti di ricerca come Open5x hanno mostrato come la stampa a cinque assi richieda anche nuovi strumenti software per creare e simulare questi percorsi.
La riduzione dei supporti è solo uno dei possibili vantaggi
Uno degli aspetti più citati della stampa multi-assiale è la possibilità di limitare i supporti.
Non è però l’unico.
La direzione con cui il materiale viene depositato influenza anche la struttura del componente.
Nella produzione a filamento, per esempio, le proprietà meccaniche possono essere differenti lungo il percorso di estrusione e attraverso l’interfaccia tra gli strati.
Con un sistema multi-assiale diventa possibile progettare traiettorie che seguono meglio la forma del pezzo o, in alcune applicazioni con materiali compositi, le direzioni principali delle sollecitazioni.
Studi sulla stampa spaziale di compositi rinforzati con fibra continua hanno mostrato quanto la possibilità di disporre le fibre lungo percorsi tridimensionali possa modificare il comportamento meccanico del componente.
Non significa che una macchina a cinque assi produca automaticamente pezzi più resistenti.
Significa però che il progettista dispone di una variabile ulteriore: la direzione nella quale viene costruito il materiale.
Il passaggio successivo è far reagire la macchina all’imprevisto
È proprio qui che la proposta di IBM acquista maggiore significato.
Una parte importante della ricerca sulla produzione additiva multi-assiale riguarda il calcolo della traiettoria prima dell’avvio della macchina.
Il brevetto di IBM aggiunge un secondo livello: cosa accade quando, durante la lavorazione, la realtà non coincide perfettamente con il percorso calcolato?
Un componente può vibrare.
Un utensile può esercitare una forza superiore a quella prevista.
Il sistema di presa può deformarsi leggermente.
La distribuzione delle masse può cambiare.
Un robot può presentare piccoli errori di posizionamento.
Invece di considerare queste differenze soltanto come errori da ridurre attraverso una calibrazione iniziale, IBM propone di misurarle e compensarle durante il processo.
Una fabbrica composta da robot che collaborano
Portato alle sue conseguenze più ampie, il concetto potrebbe essere applicato oltre la stampa 3D.
Una cella robotizzata potrebbe comprendere un manipolatore che sostiene il componente, una testa di deposizione, un sistema di fresatura, scanner tridimensionali, telecamere e strumenti di ispezione.
Il componente non dovrebbe necessariamente seguire il percorso tradizionale tra macchine completamente separate.
Potrebbero essere invece gli utensili a raggiungere il componente nelle differenti fasi della produzione.
In questo scenario, la stampa additiva diventerebbe soltanto una delle operazioni disponibili.
È anche il motivo per cui definire l’intero concetto semplicemente “stampante 5D” rischia di descriverlo solo in parte.
Si tratta piuttosto di una cella manifatturiera robotizzata nella quale orientamento del pezzo, lavorazione e controllo vengono coordinati dinamicamente.
Dal brevetto alla macchina reale rimangono diverse questioni
Una domanda di brevetto descrive un’invenzione e le relative rivendicazioni, ma non dimostra automaticamente che esista una macchina commerciale con tutte le caratteristiche descritte.
Per valutare industrialmente il sistema proposto da IBM sarebbero necessari dati sulle precisioni raggiungibili, velocità di risposta del controllo, ripetibilità, stabilità delle correzioni, compatibilità con differenti robot e prestazioni su componenti reali.
Bisognerebbe inoltre valutare il comportamento quando più sensori forniscono informazioni contrastanti, la gestione delle collisioni e l’effetto delle correzioni dinamiche sulla qualità finale.
La complessità software è altrettanto importante di quella meccanica.
Ogni modifica effettuata da un robot può infatti cambiare le condizioni nelle quali deve operare l’altro.
Il controllore deve quindi evitare che una correzione generi un nuovo errore o provochi instabilità nel sistema.
Perché il brevetto IBM merita attenzione
La parte più significativa della proposta di IBM non è probabilmente il numero cinque utilizzato nella definizione “5D printing”.
La produzione additiva a cinque e più assi è già oggetto di ricerca da anni e sono già stati realizzati sistemi capaci di depositare materiale su superfici curve attraverso robot industriali.
Il contributo su cui IBM concentra la propria proprietà intellettuale riguarda soprattutto il coordinamento dinamico.
L’idea è fare in modo che il robot che tiene il componente e quello che lo lavora non siano semplicemente sincronizzati da un programma, ma possano adattare i rispettivi parametri utilizzando informazioni raccolte durante l’esecuzione.
Se questo tipo di architettura diventasse sufficientemente robusto, potrebbe ridurre uno degli ostacoli alla produzione robotica multi-assiale: la difficoltà di mantenere perfettamente allineati utensile, pezzo e sistemi di coordinate durante lavorazioni complesse.
La direzione indicata dalle diverse domande di brevetto presentate da IBM suggerisce quindi un interesse più ampio per celle produttive nelle quali stampa additiva, lavorazione CNC, sensori, scansione tridimensionale, intelligenza artificiale e robotica vengono coordinate da uno strato software comune.
In questo contesto la “stampa 5D” diventa meno una nuova categoria di stampante e più un esempio di come potrebbe cambiare la fabbrica quando il controllo della produzione passa da sequenze rigidamente programmate a sistemi capaci di misurare e correggere continuamente ciò che accade sulla macchina.
” Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI) “
