La stampa 3D di materiali semi-solidi è una delle aree più interessanti della manifattura additiva, ma anche una delle più difficili da portare verso processi ordinati, puliti e ripetibili. Paste alimentari, gel, impasti farmaceutici, cosmetici, creme, materiali morbidi e composti viscosi non si comportano come un filamento termoplastico e non seguono le regole tipiche della stampa FDM. Vanno dosati con precisione, non devono colare, possono separarsi, possono intasare l’ugello e spesso richiedono condizioni igieniche molto più severe rispetto alla stampa 3D tradizionale.
In questo contesto si inserisce una domanda di brevetto di TNO, l’organizzazione olandese per la ricerca applicata. Il documento descrive una testina compatta per l’estrusione semi-solida multi-materiale, cioè una soluzione pensata per portare più materiali viscosi verso un singolo punto di deposizione, controllandone il flusso e, in alcune configurazioni, anche la miscelazione prima dell’uscita dall’ugello.
La domanda di brevetto, indicata come EP4748554A1, è assegnata a Nederlandse Organisatie voor toegepast natuurwetenschappelijk onderzoek TNO. Il deposito risale a novembre 2024, mentre la pubblicazione è avvenuta il 27 maggio 2026. Come sempre, un brevetto non equivale a un prodotto già disponibile sul mercato, ma mostra una direzione tecnica precisa: rendere più compatta, controllabile e pulibile la stampa 3D di materiali che stanno a metà tra liquido e solido.
Che cosa si intende per estrusione semi-solida
L’estrusione semi-solida, spesso indicata con la sigla SSE, è un processo in cui il materiale non arriva sotto forma di filamento rigido o polvere, ma come massa morbida e deformabile. Può trattarsi di una pasta alimentare, di un gel farmaceutico, di un impasto ceramico, di una crema cosmetica, di un idrogel, di un materiale biologico o di una formulazione caricata con principi attivi.
Il principio di base è semplice: il materiale viene spinto attraverso un ugello e depositato strato su strato. La difficoltà sta nel farlo con continuità, precisione e pulizia. Un materiale semi-solido deve essere abbastanza fluido da uscire dall’ugello, ma abbastanza stabile da mantenere la forma dopo la deposizione. Se è troppo denso, richiede pressioni elevate e può bloccare la testina. Se è troppo morbido, collassa. Se contiene particelle, fibre, ingredienti o componenti farmaceutici, la situazione diventa ancora più complessa.
Per questo molte soluzioni di stampa a pasta utilizzano siringhe, cartucce o serbatoi separati. Sono sistemi utili in laboratorio, ma possono diventare ingombranti quando si passa a più materiali, più ricette o processi che richiedono pulizia frequente.
Il problema della stampa multi-materiale con paste e gel
Nella stampa 3D multi-materiale convenzionale, come nel caso dei filamenti polimerici, il passaggio da un materiale all’altro può avvenire con più estrusori, cambi utensile, sistemi di purga o hotend dedicati. Con le paste il problema è diverso. Il materiale può restare nei canali, può contaminare quello successivo, può richiedere lavaggi, può reagire con altri ingredienti e può cambiare viscosità nel tempo.
Usare più siringhe indipendenti è una soluzione immediata, ma porta con sé diversi limiti. Le testine devono essere allineate con precisione. Gli ugelli occupano spazio. La calibrazione diventa più lunga. Se i materiali devono essere combinati in un’unica linea di deposizione, la gestione di più ugelli separati non è sempre la soluzione migliore.
Il brevetto TNO affronta proprio questo passaggio. Invece di immaginare una stampante con molte siringhe che lavorano una accanto all’altra, il documento descrive una testina con più canali a monte, orientati verso un’unica area di uscita. Ogni canale può ricevere materiale da una sorgente separata, come un contenitore, una cartuccia, un tubo o una siringa. Il materiale viene poi spinto verso l’ugello tramite un attuatore di progressione, che nel brevetto può essere realizzato anche come pompa a ingranaggi azionata da un motore.
Una testina compatta con più canali
L’elemento centrale è la disposizione dei canali. La testina descritta da TNO integra più percorsi di alimentazione attorno a un asse comune, allineato con l’ugello. I canali possono convergere verso la zona di uscita e, in alcune varianti, passare attraverso una camera di miscelazione.
Questo consente diverse modalità operative. La testina può depositare un solo materiale alla volta. Può passare da un materiale all’altro senza sostituire fisicamente la cartuccia. Può anche far arrivare più materiali nello stesso punto, in modo che si incontrino e si mescolino prima della deposizione.
È una differenza importante rispetto a una semplice piastra con più ugelli. Qui l’obiettivo non è solo “avere più materiali”, ma controllare il modo in cui entrano, scorrono, si dosano e, se necessario, si combinano dentro una testina più compatta.
Perché la miscelazione è un punto chiave
In molte applicazioni, il valore non sta soltanto nella possibilità di alternare due paste diverse, ma nella capacità di creare combinazioni controllate. Nel food printing, per esempio, si possono immaginare prodotti con texture differenziate, ripieni distribuiti in modo preciso, variazioni locali di gusto o composizione nutrizionale. Nella stampa farmaceutica, il tema può riguardare il dosaggio, la combinazione di più principi attivi o la realizzazione di forme con profili di rilascio diversi.
Naturalmente, tra un concetto brevettato e un prodotto farmaceutico stampato esiste una distanza regolatoria, tecnica e industriale significativa. Ogni materiale deve essere validato. Ogni dose deve essere controllata. Ogni canale deve essere pulibile. Ogni contaminazione deve essere esclusa. Proprio per questo, la parte meccanica della testina diventa centrale: non basta spingere il materiale fuori dall’ugello, bisogna poter garantire un processo ripetibile.
La camera di miscelazione descritta nel brevetto può avere un volume predefinito e può includere elementi di miscelazione attivi o passivi. Questo apre a scenari in cui la composizione del materiale in uscita non è fissa, ma può variare durante la stampa.
Pulizia e manutenzione: il tema meno vistoso ma più importante
Uno degli aspetti più pratici della proposta TNO è la pulibilità. La testina è pensata con componenti che possono essere rimossi, esposti o sostituiti. Il corpo multi-canale può essere montato in modo rilasciabile nell’alloggiamento, i condotti possono essere resi accessibili e l’ugello può essere sostituito.
Nella stampa 3D di alimenti e farmaci questo dettaglio può fare la differenza. Una testina non pulibile resta un esperimento da laboratorio. Una testina che può essere smontata, ispezionata e sanificata ha invece più possibilità di entrare in ambienti in cui valgono procedure igieniche e controlli di qualità più severi.
Anche la possibilità di cambiare ugello è rilevante. I materiali semi-solidi reagiscono molto alla dimensione dell’apertura, alla pressione, alla presenza di particelle, alla viscosità e alla temperatura. Un impasto alimentare con fibre vegetali non si comporta come un gel farmaceutico; una crema cosmetica non si comporta come una pasta ceramica. Poter adattare il diametro dell’ugello rende la testina più flessibile.
Perché TNO lavora su food e pharma printing
TNO non è un produttore tradizionale di stampanti 3D desktop. È un’organizzazione di ricerca applicata che lavora con aziende, istituzioni e partner industriali per trasformare concetti tecnici in processi utilizzabili. Nel campo della manifattura additiva ha costruito competenze in più aree, tra cui stampa 3D alimentare, stampa farmaceutica, materiali polimerici compositi ed elettronica stampata.
L’interesse per l’estrusione semi-solida si collega bene alle attività di TNO su alimenti personalizzati e farmaci su misura. Nei suoi laboratori l’organizzazione indica attrezzature per estrusione ad alta precisione, estrusione ad alta velocità e potenza, stampa multi-ugello, sistemi SLS e binder jetting, oltre a piattaforme per nutrizione personalizzata e strutturazione proteica.
Il collegamento è evidente: alimenti personalizzati e farmaci personalizzati richiedono dosaggio controllato, cambio rapido di formulazione e capacità di produrre piccoli lotti con caratteristiche diverse. Una testina multi-materiale per materiali semi-solidi può diventare un componente abilitante di questa visione.
Le aziende e gli enti presenti nell’ecosistema TNO
Nel brevetto non risultano indicati partner industriali come assegnatari: il titolare citato è TNO. Il contesto in cui questa tecnologia può trovare applicazione, però, comprende una rete più ampia.
Nel food printing, TNO lavora attraverso iniziative come la Digital Food Processing Initiative, insieme a Wageningen University & Research ed Eindhoven University of Technology. Nelle attività legate alla stampa 3D alimentare vengono citati anche progetti e collaborazioni con Barilla, il Ministero della Difesa olandese e il consorzio Imagine, che coinvolge realtà come GEA, Solipharma, Tate & Lyle e General Mills.
Nel pharma printing, TNO collabora con Erasmus MC e con strutture sanitarie come Maasstad Ziekenhuis di Rotterdam, dove è stata installata una 3D Pharma Printer destinata alla ricerca e ai test su farmaci personalizzati. Questo contesto aiuta a capire perché la gestione di paste e materiali semi-solidi sia così importante: molti prodotti alimentari e farmaceutici non possono essere trattati come plastica fusa.
Applicazioni possibili nella stampa 3D alimentare
Nel settore alimentare, una testina multi-materiale compatta potrebbe consentire prodotti con composizione variabile. Si può immaginare un alimento stampato con una base proteica, un ripieno, una componente aromatica e una parte funzionale, tutte dosate in modo controllato. Oppure prodotti per nutrizione personalizzata, in cui calorie, proteine, carboidrati, grassi, micronutrienti e consistenza cambiano in base al profilo dell’utilizzatore.
TNO ha già lavorato sul tema dei prodotti alimentari personalizzati, anche in forma di piccole unità nutrizionali stampate. La stampa 3D, in questo caso, non serve soltanto a creare forme curiose. Serve a produrre porzioni con caratteristiche diverse senza dover riconfigurare un’intera linea industriale.
La difficoltà è che gli alimenti sono materiali vivi dal punto di vista del processo: cambiano con la temperatura, con il tempo, con l’acqua, con l’aria e con la pressione. Una testina multi-canale deve quindi gestire non solo la deposizione, ma anche la stabilità del materiale prima e durante l’estrusione.
Applicazioni possibili nella stampa farmaceutica
Nel settore farmaceutico, l’estrusione semi-solida è studiata perché può usare formulazioni più morbide rispetto a polveri compattate o filamenti caricati con farmaco. Questo la rende interessante per farmaci personalizzati, compresse masticabili, forme orali, polypill e sistemi con rilascio controllato.
TNO lavora già sul concetto di farmaco stampato su richiesta, con dosi, forme e profili di rilascio adattati al paziente. Una testina multi-materiale potrebbe, almeno in prospettiva, contribuire alla combinazione di più componenti in un’unica forma farmaceutica. Per esempio, si potrebbe pensare a un farmaco con regioni diverse, ognuna progettata per sciogliersi o rilasciare il principio attivo in modo differente.
Questo scenario richiede però molti passaggi di validazione. Nel farmaceutico non basta che la stampante funzioni: bisogna dimostrare uniformità della dose, stabilità del principio attivo, pulizia del sistema, tracciabilità del processo e conformità alle regole di produzione. La testina è quindi un pezzo della catena, non tutta la catena.
Cosmetica, ceramiche e materiali funzionali
Le applicazioni non si fermano ad alimenti e farmaci. Paste cosmetiche, idrogel, siliconi, materiali ceramici, adesivi e composti funzionali possono beneficiare di un’estrusione multi-materiale controllata. In cosmetica, il tema può essere la combinazione di texture e ingredienti. In ambito ceramico, può riguardare materiali con composizione variabile o strutture porose. Nei materiali funzionali, può interessare sensori morbidi, dispositivi indossabili o componenti con zone a diversa durezza.
La stessa logica si applica a molti materiali caricati con particelle. Quando un materiale contiene polveri, fibre o additivi, la precisione della spinta e la pulizia interna del percorso diventano punti critici. Se il flusso non è stabile, l’oggetto stampato cambia dimensione, densità o composizione lungo il percorso.
Perché una pompa può essere più utile di una semplice siringa
Molti sistemi a pasta utilizzano una spinta pneumatica o meccanica su siringa. È una soluzione semplice, ma non sempre offre il controllo migliore. La pressione può accumularsi, il materiale può uscire in ritardo, il flusso può continuare anche quando il comando si ferma e la risposta può cambiare quando la cartuccia si svuota.
Il brevetto TNO cita la possibilità di usare un attuatore di progressione, anche sotto forma di pompa a ingranaggi. Questo dettaglio suggerisce un’attenzione al dosaggio volumetrico del materiale. Invece di affidarsi solo alla pressione, la testina può controllare meglio la quantità di materiale che avanza verso l’ugello.
Nel caso di materiali semi-solidi, questo può aiutare a ridurre sovraestrusione, ritardi, gocciolamenti e variazioni tra una zona e l’altra del pezzo. Naturalmente, l’efficacia dipende dal materiale, dalla viscosità, dalla geometria dei canali e dalla progettazione della pompa.
Un brevetto non è ancora una macchina commerciale
È importante leggere il brevetto per quello che è: una protezione tecnica su un concetto e su possibili configurazioni. Non ci sono indicazioni pubbliche su una stampante commerciale TNO basata su questa testina, né su una data di uscita o su un partner industriale incaricato della produzione.
Questo non riduce l’interesse del documento. Nel settore della stampa 3D, molte innovazioni passano prima da componenti: ugelli, sistemi di alimentazione, sensori, camere di miscelazione, software di controllo. Una testina più pulibile e compatta può diventare il punto di partenza per macchine dedicate ad alimenti, farmaci, cosmetici o materiali morbidi.
La domanda principale sarà capire se TNO svilupperà internamente prototipi più avanzati, se concederà licenze a costruttori di macchine o se userà la tecnologia all’interno di progetti con partner industriali.
Il nodo della scalabilità
Portare la stampa 3D semi-solida dalla ricerca alla produzione richiede più di una buona testina. Servono materiali stabili, ricette adatte, software di dosaggio, procedure di pulizia, controlli qualità, gestione delle cartucce e interfacce con linee produttive più ampie. La testina TNO sembra affrontare una parte di questi problemi: compattezza, multi-materiale, dosaggio e pulibilità.
La scalabilità dipenderà anche dalla velocità. Stampare una singola porzione alimentare o una piccola serie di campioni farmaceutici è diverso dal produrre migliaia di unità. Per questo l’estrusione semi-solida ha bisogno di testine affidabili, ma anche di sistemi capaci di lavorare in parallelo o con cicli molto controllati.
TNO, in questo senso, è in una posizione interessante perché lavora sia sulla ricerca applicata sia sull’attrezzatura. L’organizzazione non si limita allo studio dei materiali, ma sviluppa e modifica macchine, processi e piattaforme in laboratorio.
Una tecnologia da seguire per food printing e pharma printing
La testina multi-materiale brevettata da TNO mette a fuoco un problema concreto: stampare paste e gel con più materiali non è semplice, soprattutto quando servono igiene, controllo del dosaggio e cambio rapido di formulazione. La soluzione descritta cerca di integrare più flussi in una testina compatta, con canali convergenti, possibile miscelazione e componenti rimovibili per la pulizia.
Il risultato non va presentato come una stampante pronta a cambiare il mercato domani. È piuttosto un tassello tecnico che può diventare utile se inserito in piattaforme più complete per alimenti personalizzati, farmaci su misura, cosmetici, biomateriali o materiali funzionali.
Per il settore della stampa 3D, il messaggio è chiaro: l’estrusione non riguarda solo filamenti plastici e hotend. Una parte crescente della ricerca guarda a materiali morbidi, viscosi e personalizzabili. In quell’area, la capacità di controllare più paste dentro una sola testina può fare la differenza tra una dimostrazione da laboratorio e un processo realmente utilizzabile.
