Questa tesi esamina il rapporto tra additive manufacturing (AM) e sostenibilità attraverso due linee principali: il riciclo di materiali termoplastici rinforzati con fibre corte e lo sviluppo di compositi bio-based con fibre continue per la stampa 3D. A partire dallo studio dei polimeri convenzionali e delle strategie di riciclo, il lavoro evolve verso materiali completamente bio-derivati, mostrando che l’AM può unire elevate prestazioni meccaniche e ridotto impatto ambientale. La prima sezione introduce la tecnologia Fused Deposition Modeling (FDM), descrivendo parametri di processo, polimeri più diffusi e strategie di rinforzo con fibre corte e continue. Seguono le analisi delle matrici in poliammide e poliestere, valutate per le loro proprietà meccaniche, termiche e reologiche, rilevanti per il loro impiego in filamenti compositi. Sono poi presentate le metodologie di caratterizzazione impiegate, comprendenti analisi meccaniche, termiche, reologiche e morfologiche, insieme agli strumenti e ai modelli utilizzati. La prima indagine sperimentale riguarda il riciclo meccanico di poliammide 6 rinforzata con fibre di carbonio corte. Scarti industriali di stampa sono stati rigranulati ed estrusi in nuovi filamenti e confrontati con materiale vergine. La riduzione della massa molecolare ha diminuito la viscosità, senza peggiorare le proprietà meccaniche; quelle trasversali e a taglio risultano persino migliorate, probabilmente grazie a una migliore adesione interlayer. Ciò conferma la fattibilità di un riciclo a ciclo chiuso nella tecnologia FDM. Il secondo studio indaga un composito più sostenibile e performante: poliammide 12 rinforzata con fibre continue di basalto, stampata tramite co-estrusione commerciale. Il materiale ha mostrato un incremento di un ordine di grandezza in rigidezza e resistenza lungo la direzione di deposizione della fibra, ma una forte anisotropia, evidenziando la necessità di ottimizzare orientamento di stampa e post-processi. Sebbene più sostenibile di carbonio e vetro, il basalto presenta ancora limiti ambientali, spingendo verso rinforzi bio-based. La fase successiva analizza fibre vegetali continue. Una revisione della letteratura identifica le fibre di lino e ramie come le più promettenti per biocompositi stampati in 3D, pur con difficoltà legate alla loro variabilità e compatibilità con i sistemi esistenti. Per superare tali limiti è stato sviluppato un processo a due stadi per produrre filamenti costituiti da fibre di lino continue rivestite con resina termoindurente UV-curabile. Fibre bollite e candeggiate sono state confrontate per valutare l’effetto dei trattamenti superficiali. Le fibre candeggiate hanno generato filamenti più uniformi e dimensionalmente stabili, compatibili con le tolleranze delle stampanti composite commerciali. L’uso di una resina termoindurente rappresenta un compromesso tra stampabilità, prestazioni e sostenibilità. Nella fase finale, i filamenti sono stati stampati e caratterizzati meccanicamente. I biocompositi hanno raggiunto circa il 20% in volume di fibre e il 10% di vuoti. Il lino continuo ha migliorato significativamente rigidezza e resistenza rispetto al PLA, con comportamento più regolare per le fibre candeggiate. Le analisi frattografiche confermano che la resina mantiene l’integrità delle fibre, garantendo un efficace trasferimento del carico. Nel complesso, la tesi dimostra che materiali sostenibili e alte prestazioni possono coesistere nell’AM attraverso un’attenta selezione dei materiali e
This thesis investigates the relationship between additive manufacturing (AM) and sustainability through two main research paths: the recycling of fiber-reinforced thermoplastics and the development of bio-based continuous fiber composites for 3D printing. Starting from conventional polymer systems and recycling strategies, the work progresses toward fully bio-derived materials, showing that AM can combine high mechanical performance with reduced environmental impact. The first section outlines Fused Deposition Modeling (FDM), describing key process parameters, common polymers, and reinforcement approaches with short and continuous fibers. Polyamide and polyester matrices are then examined in terms of mechanical, thermal, and rheological properties relevant to their use in composite filaments for AM. The characterization methods adopted in the thesis are presented next, including mechanical, thermal, rheological, and morphological analyses, together with the modeling tools and instruments used. The first experimental investigation addresses mechanical recycling of short carbon fiber-reinforced PA6. Industrial printing scraps were re-extruded into new filaments and compared with virgin material. Although grinding and reprocessing reduced molecular weight and viscosity, this did not impair mechanical behavior; transverse and shear properties even improved, likely due to enhanced interlayer adhesion. These results support the feasibility of closed-loop recycling in FDM. The second study explores a more sustainable composite with higher performance: a continuous basalt fiber-reinforced PA12 printed using a commercial co-extrusion system. The composite achieved a tenfold increase in stiffness and strength in the fiber direction, but exhibited strong anisotropy with poor transverse properties, highlighting the need for improved fiber orientation and post-processing. Despite being more sustainable than carbon and glass fibers, basalt still has environmental limitations, motivating the search for bio-based reinforcements. The next research phase focuses on continuous vegetable fibers. A review identifies flax and ramie as the most promising for 3D-printed biocomposites, though their variability and compatibility with existing printers remain challenges. To address this, a two-stage process was developed to produce coated filaments made of continuous flax fibers impregnated with UV-curable thermoset resin. Boiled and bleached flax were tested to assess the influence of surface treatments. Bleached fibers yielded more uniform, dimensionally consistent filaments meeting the tolerances of commercial composite printers. The use of a thermoset resin represents a compromise between printability, mechanical performance, and sustainability. In the final stage, both flax-based filaments were 3D-printed and mechanically tested. The biocomposites achieved about 20% fiber volume fraction and 10% void content. Continuous flax significantly increased stiffness and strength compared to neat PLA, with bleached fibers providing more regular behavior. Fractographic observations confirmed that the thermoset matrix preserved fiber integrity during printing, enabling efficient load transfer. Overall, the thesis demonstrates that sustainable materials and high performance can be combined in AM through proper material selection and process optimization. The findings advance understanding of thermoplastic recyclability and confirm the potential of continuous natural fibers in 3D printing, encouraging future work on more eco-friendly resin systems.
Sustainability in 3D printing: recycling and continuous fiber biocomposites
ZANELLI, MARCO
2026
Abstract
Questa tesi esamina il rapporto tra additive manufacturing (AM) e sostenibilità attraverso due linee principali: il riciclo di materiali termoplastici rinforzati con fibre corte e lo sviluppo di compositi bio-based con fibre continue per la stampa 3D. A partire dallo studio dei polimeri convenzionali e delle strategie di riciclo, il lavoro evolve verso materiali completamente bio-derivati, mostrando che l’AM può unire elevate prestazioni meccaniche e ridotto impatto ambientale. La prima sezione introduce la tecnologia Fused Deposition Modeling (FDM), descrivendo parametri di processo, polimeri più diffusi e strategie di rinforzo con fibre corte e continue. Seguono le analisi delle matrici in poliammide e poliestere, valutate per le loro proprietà meccaniche, termiche e reologiche, rilevanti per il loro impiego in filamenti compositi. Sono poi presentate le metodologie di caratterizzazione impiegate, comprendenti analisi meccaniche, termiche, reologiche e morfologiche, insieme agli strumenti e ai modelli utilizzati. La prima indagine sperimentale riguarda il riciclo meccanico di poliammide 6 rinforzata con fibre di carbonio corte. Scarti industriali di stampa sono stati rigranulati ed estrusi in nuovi filamenti e confrontati con materiale vergine. La riduzione della massa molecolare ha diminuito la viscosità, senza peggiorare le proprietà meccaniche; quelle trasversali e a taglio risultano persino migliorate, probabilmente grazie a una migliore adesione interlayer. Ciò conferma la fattibilità di un riciclo a ciclo chiuso nella tecnologia FDM. Il secondo studio indaga un composito più sostenibile e performante: poliammide 12 rinforzata con fibre continue di basalto, stampata tramite co-estrusione commerciale. Il materiale ha mostrato un incremento di un ordine di grandezza in rigidezza e resistenza lungo la direzione di deposizione della fibra, ma una forte anisotropia, evidenziando la necessità di ottimizzare orientamento di stampa e post-processi. Sebbene più sostenibile di carbonio e vetro, il basalto presenta ancora limiti ambientali, spingendo verso rinforzi bio-based. La fase successiva analizza fibre vegetali continue. Una revisione della letteratura identifica le fibre di lino e ramie come le più promettenti per biocompositi stampati in 3D, pur con difficoltà legate alla loro variabilità e compatibilità con i sistemi esistenti. Per superare tali limiti è stato sviluppato un processo a due stadi per produrre filamenti costituiti da fibre di lino continue rivestite con resina termoindurente UV-curabile. Fibre bollite e candeggiate sono state confrontate per valutare l’effetto dei trattamenti superficiali. Le fibre candeggiate hanno generato filamenti più uniformi e dimensionalmente stabili, compatibili con le tolleranze delle stampanti composite commerciali. L’uso di una resina termoindurente rappresenta un compromesso tra stampabilità, prestazioni e sostenibilità. Nella fase finale, i filamenti sono stati stampati e caratterizzati meccanicamente. I biocompositi hanno raggiunto circa il 20% in volume di fibre e il 10% di vuoti. Il lino continuo ha migliorato significativamente rigidezza e resistenza rispetto al PLA, con comportamento più regolare per le fibre candeggiate. Le analisi frattografiche confermano che la resina mantiene l’integrità delle fibre, garantendo un efficace trasferimento del carico. Nel complesso, la tesi dimostra che materiali sostenibili e alte prestazioni possono coesistere nell’AM attraverso un’attenta selezione dei materiali eI documenti in SFERA sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
