La stampa 3D in agricoltura – 3Dnatives

Il settore agricolo è in costante evoluzione. Con il tempo i progressi tecnologici hanno permesso di aumentare non solo la produttività, ma anche di migliorare la qualità degli alimenti. Tuttavia, oggi l’agricoltura si trova ad affrontare nuove sfide, come i cambiamenti climatici o l’elevata domanda di prodotti. Per questo motivo la ricerca di soluzioni innovative è più urgente che mai. Studi e progetti recenti hanno dimostrato che una tecnologia alleata del settore agricolo potrebbe essere la produzione additiva. In questo articolo effettueremo dunque un’analisi approfondita sul ruolo che la stampa 3D ha nell’agricoltura. Sebbene non sia ancora una tecnologia ampiamente implementata nelle pratiche agricole, esistono delle applicazioni specifiche che hanno aperto numerose possibilità. Cercheremo quindi di capire i vantaggi che la produzione additiva ha portato ad alcune pratiche come l’apicoltura e le lacune nel settore agricolo che devono ancora essere colmate.

L’agricoltura è un’attività che è stata alla base delle grandi civiltà, anche prima della scienza e della scrittura. Le pratiche agricole accompagnano l’umanità da circa 12.000 anni e, fin dalla sua comparsa, l’agricoltura ha rivoluzionato la storia trasformando gli stili di vita. Come ci insegna la storia, il nomadismo è terminato quando l’attività di coltivazione ha portato l’uomo alla sedentarizzazione, dando vita così alla fondazione dei villaggi prima e delle società poi. L’importanza dell’agricoltura per l’essere umano rimane la stessa di migliaia di anni fa, in quanto attività strategica per lo sviluppo autosufficiente e la ricchezza dei Paesi. Secondo i dati dell’Organizzazione delle Nazioni Unite per l’alimentazione e l’agricoltura (FAO), 1,23 miliardi di persone lavorano nei sistemi agroalimentari. Questi dati sono stati ottenuti in uno studio condotto nel 2019 che ha anche dimostrato che quasi la metà della popolazione mondiale vive in famiglie che si sostengono grazie a questi sistemi agroalimentari.

L’agricoltura è un settore strategico che fornisce cibo agli 8,2 miliardi di persone nel mondo e materie prime per diversi settori economici.

Comprendere il ruolo della stampa 3D in agricoltura significa comprendere il ruolo della tecnologia nelle sue applicazioni. Per molti secoli le attività agricole sono state profondamente vincolate al lavoro manuale. Dopo la rivoluzione industriale, le attività agricole sono cambiate quasi completamente con l’introduzione di macchine che hanno semplificato il lavoro manuale. Già alla fine del XIX secolo e durante il XX secolo, l’uso di macchinari come trattori, mietitrebbie e aratri è diventato essenziale. Negli ultimi anni, l’agricoltura ha compiuto passi da gigante grazie all’integrazione delle tecnologie digitali, un processo noto come Agri-Tech. Questo termine si riferisce all’impiego di strumenti innovativi come veicoli autonomi, droni, satelliti, robotica, scanner, software e altre tecnologie per ottimizzare la produzione agricola. In questo contesto, la stampa 3D ha avuto un impatto significativo, offrendo nuove opportunità e soluzioni. In questo articolo esploreremo alcuni di questi strumenti influenzati dalla produzione additiva e altre applicazioni che stanno rivoluzionando il settore.

Quali sono le applicazioni della stampa 3D in agricoltura?

Quando ci si interroga sulle applicazioni della stampa 3D in agricoltura, si può pensare che venga impiegata per  produrre utensili, parti di ricambio o che venga utilizzata nella produzione di trattori. Tuttavia, esistono molti altri tipi di sviluppi, progetti di ricerca e applicazioni concrete che hanno visto l’integrazione della stampa 3D. Se è vero che la tecnologia non è ancora stata pienamente implementata in agricoltura, come lo è stata in medicina o nell’industria automobilistica, in questo articolo dimostreremo come le  sue applicazioni siano non solo interessanti, ma anche numerose.

Produzione di macchinari con la stampa 3D

La produzione additiva si è consolidata come una tecnologia di punta nei settori dell’automotive e dei trasporti, trovando applicazione anche nella produzione di macchine agricole. Un esempio significativo è rappresentato da John Deere, il celebre produttore, che nel 2022 ha realizzato oltre 4.000 componenti in un solo anno utilizzando questa moderna tecnologia. Questo è stato il suo primo passo nell’implementazione della produzione additiva presso il suo stabilimento specializzato di Mannheim, in Germania. Un caso più locale è quello dell’azienda spagnola Teyme, che utilizza la tecnologia Multi Jet Fusion di HP per produrre componenti come adattatori di uscita e posizionatori di lame d’aria e simili. Queste parti sono state integrate nelle macchine agricole prodotte dall’azienda.

Atomizzatore Teyme con parti create con la tecnologia Multi Jet Fusion (crediti fotografici: Teyme).

Sviluppo di strumenti personalizzati

La stampa 3D offre una soluzione rapida ed economica per la prototipazione di strumenti e componenti specifici, adattati alle esigenze dell’agricoltura. Ad esempio, consente la creazione di parti di macchinari e attrezzature per l’irrigazione, personalizzate in base alle condizioni particolari di ogni agricoltore. Può inoltre essere utilizzata per produrre pezzi di ricambio di macchine fuori produzione, ma ancora essenziali. La possibilità di realizzare questi strumenti direttamente in loco elimina la necessità di spostamenti e riduce i tempi di attesa, evitando interruzioni nell’attività agricola. Infine, la diffusione della manifattura additiva rende questa tecnologia accessibile sia alle piccole che alle grandi aziende agricole, consentendo loro di sfruttarne i vantaggi in modo efficace.

Produzione di sensori e dispositivi IoT

I sensori e i dispositivi IoT (Internet of Things) per il monitoraggio delle condizioni del suolo, come l’umidità, il vento e il tempo, possono essere stampati in 3D. Questi sono integrati nei sistemi agricoli intelligenti per migliorare il processo decisionale sulle colture.

Produzione additiva di droni e robot

Esistono diversi droni e robot creati grazie alla stampa 3D e utilizzati nel campo agricolo. Questi hanno segnato un passo importante nell’implementazione delle tecnologie di automazione nel settore. Negli ultimi anni è stato dimostrato che questi dispositivi possono svolgere compiti come il monitoraggio delle colture, la semina e l’applicazione precisa di fertilizzanti e pesticidi. L’azienda italiana Soleon, specializzata in applicazioni aeree senza pilota e droni, si è rivolta ai servizi di produzione additiva di Materialise per creare il Soleon Dis-co. Affrontando il problema della piralide del mais, un parassita che può rovinare intere colture, Soleon e Materialise hanno progettato un sistema di distribuzione dei pesticidi. Per farlo hanno si sono serviti delle uova di Trichogramma, una tipologia di vespa che mangia la piralide del mais, ottenendo così una soluzione naturale. In questo caso il drone è stato stampato in PA12 tramite SLS, ossia la sinterizzazione laser selettiva.

Il drone stampato in 3D per la disinfestazione dei campi di mais dell’azienda italiana Soleon (crediti fotografici: Soleon)

Produzione di contenitori biodegradabili per semi e piantine

La stampa 3D può essere utilizzata anche per creare contenitori o vasi biodegradabili per semi o piantine, facilitando la semina e riducendo l’impatto ambientale.

Produzione di componenti per l’irrigazione

I sistemi di irrigazione possono essere migliorati progettando componenti specifici ottenuti grazie alla stampa 3D. Ad esempio, possono essere stampati degli ugelli e dei connettori che ottimizzano la distribuzione dell’acqua e riducono gli sprechi.

Produzione additiva di dispositivi di controllo dei parassiti

Partendo dalle trappole per insetti, la produzione additiva consente di progettare e produrre trappole specifiche per diversi tipi di parassiti. Queste possono essere ottimizzate per attirare e catturare gli insetti. Inoltre, si possono trovare applicazioni nei dispositivi di rilascio di feromoni, sostanze chimiche che attirano o respingono gli insetti. Possono essere creati con la stampa 3D e progettati per una dispersione controllata.

Colture orizzontali

Un altro impiego della  stampa 3D riguarda la produzione di colture orizzontali per spazi ridotti. L’azienda italiana Hexagro è specializzata in questo tipo di applicazione. Hexagro segue processi di stampa 3D per creare strutture modulari e personalizzabili, che possono essere adattate alle esigenze specifiche di ogni spazio e tipo di coltura. Ciò include la produzione di vassoi, supporti e canali di irrigazione con design ottimizzati per la crescita delle piante e la gestione efficiente di acqua e nutrienti. La capacità di produrre rapidamente componenti personalizzati riduce significativamente i costi e i tempi di sviluppo, consentendo a Hexagro di innovare e migliorare continuamente i propri sistemi di coltivazione.

Coltura orizzontale stampata in 3D con connettori (crediti fotografici: Hexagro)

La ricerca scientifica e il ruolo della stampa 3D

La ricerca nel campo dell’agricoltura ha subito un’evoluzione significativa negli ultimi anni, guidata da progressi tecnologici che stanno ridefinendo le pratiche tradizionali. Tra queste innovazioni, la stampa 3D emerge come uno strumento rivoluzionario con il potenziale per contribuire a definire l’agricoltura moderna. La convergenza tra produzione additiva e agricoltura promette di segnare una nuova era nel modo in cui le risorse agricole vengono coltivate e gestite.

I progressi dei materiali per l’agricoltura

I materiali termoplastici sono ampiamente utilizzati in agricoltura. Tuttavia, i rifiuti termoplastici non solo hanno un impatto diretto sulla salute del suolo, ma incidono anche sulla biodiversità. Per affrontare queste sfide, molte aziende adottano il “modello delle 6R” promosso dalle Nazioni Unite. Questo approccio si basa su sei principi fondamentali: rifiutare, riprogettare, ridurre, riutilizzare, riciclare e recuperare, mirati a favorire una gestione più sostenibile delle risorse e a ridurre l’impatto ambientale. Questo modello invita gli agricoltori a utilizzare alternative naturali o biodegradabili. Studi recenti hanno trovato alternative in materiali con proprietà diverse. Ad esempio, in una pubblicazione del 2021 è stata proposta la stampa 4D come processo principale per la creazione di materiali utili in agricoltura. Lo studio si intitola “4D Printing: Prospects for the production of sustainable plastics for agriculture” ed è il risultato di una collaborazione tra l’Università di Patrasso, l’Università Agraria della Grecia e l’Istituto Italiano di Tecnologia di Genova.

La stampa 4D è un’evoluzione della stampa 3D a cui viene aggiunta la dimensione del tempo. In questo caso, gli oggetti stampati sono realizzati con materiali intelligenti che possono cambiare la loro forma o le loro proprietà in risposta a stimoli esterni, come il calore, la luce, l’acqua o il movimento. Mentre la stampa 4D viene utilizzata principalmente in campi come la medicina, le applicazioni in agricoltura sono minori, se non inesistenti. La ricerca del team dimostra che se la stampa 4D fosse applicata all’agricoltura, ci sarebbe un grande potenziale per aumentare la biodegradabilità, i benefici ambientali, economici e produttivi della plastica. Ma il problema principale che ancora frena l’agricoltura dall’implementare in maniera massiccia l’uso della stampa 4D è legato al suo essere una tecnologia ancora giovane.

La stampa 4D offre il potenziale per aumentare la biodegradabilità della plastica in agricoltura.

A cosa gioverebbe l’uso della stampa 4D? Alcune leghe a memoria di forma possiedono caratteristiche come la resistenza al calore, la magnetoresistenza, la sensibilità al pH e alla pressione osmotica che li rendono ideali per essere sia impiegati nel settore agricolo che per essere utilizzati con questa nuova tecnologia. Tra le applicazioni citate dal team di ricerca vi sono gli imballaggi alimentari, la pacciamatura agricola, le reti ombreggianti o le coperture in plastica per serre. Dato che la tecnologia FDM ha reso possibile la manipolazione del PLA e di altri polimeri con effetto autoformante e memoria, è possibile che questa tecnica  consenta di creare strumenti efficaci, scalabili e accessibili nella pratica. Anche altre tecniche, come quelle basate sulla stereolitografia, hanno mostrato un potenziale nelle applicazioni agricole.

La stampa 3D per il ripopolamento della «España Vaciada»

Il fenomedo dell’«España Vaciada», traducible in italiano come Spagna vuota, è un termine che spiega lo spopolamento rurale di vaste aree della Spagna, soprattutto nell’interno del Paese, dove la mancanza di opportunità economiche, di servizi e di lavoro ha portato a un esodo massiccio verso le città, lasciando interi villaggi e regioni quasi disabitate. Proyecto Rural3D è un progetto di ricerca che esplora le possibilità di generare occupazione in alcune aree integrando la stampa 3D. Il progetto è finanziato dal Ministero della Scienza, dell’Innovazione e dell’Università e dalla Fondazione COTEC e nasce in risposta al rischio di spopolamento che colpisce l’80% del territorio spagnolo. Rural3D propone la reindustrializzazione attraverso la manifattura delocalizzata, dove piccoli produttori locali utilizzano la manifattura additiva per produrre le parti necessarie, invece di rivolgersi alle grandi fabbriche centralizzate. Oltre a concentrarsi sulla redditività, Rural3D cerca di comprendere e promuovere i benefici sociali, informando la comunità rurale sui vantaggi e sui limiti della stampa 3D. Il tutto analizzando le esigenze e le barriere percepite dagli enti locali e dalla popolazione rurale per l’adozione di questa tecnologia.



Iñaki García, vice direttore scientifico del Cenim-CSIC e responsabile dell’Additive Manufacturing del progetto, ha dichiarato: “La nostra ipotesi è che la stampa 3D possa creare un’alternativa tecnologica e digitale ai lavori tradizionali basati sull’agricoltura e sul turismo”. Sebbene l’obiettivo di questo progetto non sia proprio quello di ottimizzare la produzione agricola, come negli altri casi di studio, Rural3D ha percepito problemi che possono essere risolti implementando la manifattura additiva.

In un’intervista esclusiva con Iñaki García, realizzata appositamente per questo articolo, l’interlocutore ha sottolineato come vi sia da parte di Rural3D un forte interesse per le innovazioni in grado di semplificare e ottimizzare il lavoro. Gli agricoltori a volte limitano l’estensione delle loro colture non necessariamente per la mancanza di macchinari speciali, ma per la mancanza di manodopera. “Questa applicazione evidenzia il potenziale della stampa 3D con polimeri morbidi nella progettazione di pinze o raccoglitori personalizzati, ideali per la manipolazione di frutti e ortaggi delicati. La capacità della stampa 3D di sviluppare soluzioni personalizzate in modo rapido e adattivo rappresenta un’opportunità interessante per ottimizzare i sistemi di raccolta meccanica,” sottolinea, enfatizzando la sinergia tra agricoltura e tecnologie additive.

“D’altra parte, un altro punto d’incontro tra agricoltura e stampa 3D è l’utilizzo degli scarti vegetali come rinforzo per i polimeri o il cemento nella produzione di mobili, oggetti o arredi urbani. Ci sono aziende che utilizzano gli scarti del sughero, ad esempio, e a livello di ricerca si stanno studiando l’erba Sparto e altre fibre”. Se la produzione additiva può essere un alleato per lo sviluppo economico delle aree rurali, le sfide sono ancora molte e hanno a che fare soprattutto con la scarsa conoscenza della tecnologia.

La stampa 3D nello studio del suolo

Il suolo è uno degli elementi chiave della pratica agricola, se non il più importante. Studiare le sue caratteristiche è essenziale per comprendere l’impatto delle attività umane e analizzare gli effetti delle sue proprietà idrauliche, chimiche e microbiologiche. In uno studio pubblicato nel 2020 e realizzato dall’Università di Padova in Italia è stata riprodotta la struttura del suolo per comprenderne il funzionamento. Per farlo hanno utilizzato la microtomografia computerizzata a raggi X, da cui hanno ricavato i dati e stampato la struttura del suolo in resina utilizzando la stampante ProJet 3510 HD di 3D Systems, una soluzione a iniezione di materiale. Grazie ai modelli stampati in 3D è stato possibile ricostruire fedelmente la struttura originale dei campioni di terreno, inclusa la porosità e la conformazione dei pori. Nonostante alcune limitazioni tecniche nella stampa abbiano ridotto la conducibilità tra i pori, il team è riuscito a misurare la conducibilità idraulica nella maggior parte dei prototipi, evidenziando una buona correlazione con i dati originali. Questo lavoro ha segnato un passo avanti significativo nella ricerca scientifica sul suolo, aprendo nuove prospettive di studio e applicazione.

Testi di stampe 3D relativi a diversi terreni (crediti fotografici: European Journal of Soil Science)

Un altro esempio di utilizzo della manifattura additiva per la ricerca del suolo si trova in una pubblicazione del 2021 di un team multidisciplinare dell’Università della Virginia, negli Stati Uniti. Lo studio si intitola “3D printing of biologically active soil structures”, ossia Stampa 3D di strutture del suolo biologicamente attive, e in questo caso vengono analizzate le possibilità di stampare in 3D strutture del suolo da cui far germinare i semi. A tal fine, sono state stampate strutture di terreno senza additivi utilizzando metodi di estrusione. I risultati hanno mostrato che, quando il contenuto d’acqua è adeguatamente controllato, le strutture stampate sono in grado di supportare la germinazione e la crescita delle piante, sebbene necessitino di molta acqua. Sebbene la ricerca si concentri sulla dimostrazione della fattibilità dei cosiddetti tetti verdi, lo stesso principio potrebbe essere applicato alla coltivazione di erbe aromatiche come coriandolo, menta, prezzemolo, basilico, ecc.

I “muri viventi” stampati in 3D mostrano la crescita della vegetazione dopo 144 ore (crediti fotografici: Università della Virginia)

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Agricoltura

 

Fenotipizzazione delle piante

La fenotipizzazione in agricoltura è un processo di osservazione e analisi delle piante, volto a fare previsioni sul loro sviluppo e comportamento in un determinato ambiente. Nello specifico, la fenotipizzazione è il risultato dell’interazione tra le informazioni genetiche di una pianta e l’ambiente in cui interagisce: serve a comprendere meglio la sua crescita, il suo sviluppo e la sua risposta alle condizioni ambientali. Uno studio pubblicato nel 2024 ha segnato un’importante novità nell’applicazione della produzione additiva nella fenotipizzazione delle piante. La collaborazione tra l’Istituto per la ricerca sulla barbabietola da zucchero (IFZ) e l’Università di Bonn ha portato allo sviluppo di un modello di pianta stampato in 3D, che consente una fenotipizzazione accurata e affidabile.

Per avere uno strumento di riferimento durante il processo di raccolta dei dati e di estrazione dei parametri, gli scienziati hanno sviluppato un modello di pianta di barbabietola da zucchero stampato in 3D utilizzando la tecnologia FDM. Lo studio innovativo è stato condotto da uno studente del dottorato dell’IFZ. Jonas Bömer ha condiviso l’importanza di questo modello: “La stampa 3D ci ha permesso di creare uno strumento di riferimento economicamente vantaggioso per garantire l’integrità dei dati raccolti”.

Questa ricerca ha anche largamente utilizzato la scansione 3D per la raccolta dei dati. La scansione 3D, infatti, consente di creare modelli digitali ad alta risoluzione delle colture, facilitandone il monitoraggio della crescita, dello sviluppo e l’individuazione tempestiva di possibili problemi. Jonas Bömer sostiene che “analizzando il terreno, gli agricoltori possono ottimizzare la gestione del suolo e adottare misure per prevenire l’erosione. Un altro aspetto cruciale che può essere migliorato interpretando i dati relativi alla profondità del suolo è l’interazione dei robot con le colture. Un esempio di applicazione è la raccolta automatizzata della frutta nelle serre, che riduce significativamente il lavoro manuale e semplifica le operazioni di picking, tradizionalmente ad alta intensità di manodopera”.

Il modello di riferimento stampato in 3D per la barbabietola da zucchero (crediti fotografici: GigaScience)

La stampa 3D in apicoltura

L’apicoltura e l’agricoltura sono due attività strettamente correlate. L’apicoltura svolge un ruolo cruciale in agricoltura grazie al suo contributo essenziale al processo di impollinazione, un meccanismo vitale per la riproduzione di molte piante e colture. Secondo i dati della FAO, le specie impollinatrici influenzano direttamente il 35% della produzione agricola globale e indirettamente il 75%. Oltre alle 200.000 specie che contribuiscono all’impollinazione, le 20.000 specie di api sono l’impollinatore per eccellenza. L’interdipendenza tra api e piante coltivate non solo sottolinea l’importanza di preservare e sostenere le pratiche dell’apicoltura, ma evidenzia anche la necessità di proteggere le api. Minacce quali pesticidi, malattie e perdita di habitat stanno ritardando la sostenibilità e la produttività dell’agricoltura a livello globale.

Per rispondere ad alcune delle problematiche che mettono a rischio diverse specie di api, gli apicoltori hanno trovato soluzioni innovative con l’aiuto della produzione additiva. Ad esempio, di recente, uno studente di master in Messico ha sviluppato un’arnia, ossia il ricovero artificiale dove vive la colonia di api domestiche, stampata in resina per stimolare la produzione di miele da parte delle api. Da segnalare anche la Fondazione LACRIMA, nel Regno Unito, che stampa in 3D arnie di legno per proteggere le colonie. Le arnie di LacriNest vengono stampate seguendo un processo di estrusione del materiale e forniscono alle api un ecosistema naturale e indisturbato.

Le condizioni ottimizzate dagli alveari stampati in 3D hanno contribuito a colonie di api più sane, con conseguenti significativi miglioramenti nella produttività agricola nelle aree in cui vengono utilizzati. Foto di Vince Moucha per 3Dnatives (crediti fotografici: LACRIMA).

Il fondatore e presidente della fondazione, Vince Moucha, ha dichiarato in merito a questo articolo: “Le nostre arnie stampate in 3D sono realizzate con un materiale speciale, completamente biodegradabile, un composito a base di legno, che le distingue dalle arnie tradizionali e da altre alternative stampate in 3D. Questo materiale, unito al design a forma di tronco, non solo garantisce la sostenibilità ambientale, ma offre anche un eccellente isolamento e durata, creando un ambiente ideale per le api e migliorando la loro salute e produttività.”

Alveare in legno stampato in 3D (crediti fotografici: LACRIMA)

Il fondatore di LACRIMA aggiunge: “Le arnie stampate in 3D possono essere integrate in pratiche agricole sostenibili incoraggiando la produzione locale, riducendo le emissioni dei trasporti e utilizzando materiali riciclabili. Inoltre, possono far parte di sistemi integrati di gestione dei parassiti, riducendo la necessità di trattamenti chimici”.

Qual è il futuro della stampa 3D in agricoltura?

I progetti sopraccitati, le applicazioni, i benefici identificati e i risultati già osservati confermano che la stampa 3D può svilupparsi enormemente all’interno del settore agricolo. In una certa misura, questa tecnologia sta mettendo i primi passi nel settore. Tuttavia, i progetti di cui ci occupiamo qui confermano che il suo potenziale è vasto e promettente.

Dato che l’agricoltura è un’attività molto antica e che le sue pratiche non sono radicate solo in tecniche specifiche ma anche nelle tradizioni, possiamo chiederci se una tecnologia così innovativa come la produzione additiva abbia un posto in agricoltura. Nonostante nelle campagne si conservino alcune pratiche tradizionali, la verità è che il settore agricolo non perde mai l’occasione per rinnovarsi.

Al momento, i progressi più significativi si registrano principalmente nella ricerca scientifica, piuttosto che nell’uso della stampa 3D. Gli esperti, oltre a focalizzarsi su specifici ambiti di studio, hanno anche il compito di individuare soluzioni ai problemi attuali. Gli esempi di ricerca riportati sono solo una piccola parte dei numerosi studi in corso, in particolare nei paesi con un settore più sviluppato, come la Cina. Con il continuo avanzamento della tecnologia e il contributo della ricerca nella produzione additiva, ci si aspetta una diffusione più ampia della tecnologia e innovazioni ancora più rivoluzionarie.

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