3D-printing: de technologische revolutie van het decennium?
Wat ooit begon als een fascinerende, maar inefficiënte technologie, is uitgegroeid tot een bepalende factor in de technologiesector. De technologie ontketent de komende jaren wellicht een revolutie op de fabrieksvloer én in de huiskamer.
Efficiëntie. Dat is het codewoord. Het laatste decennium zijn de kosten voor 3D-printing zodanig gedaald dat verschillende sectoren de techniek overwegen voor hun productieproces. Tegen 2026 zou de markt voor 3D-printing maar liefst 41 miljard dollar waard kunnen zijn. Dat heeft het marktonderzoeksbureau Acumen Research and Consulting berekend. Nog volgens die rondvraag zet bijna een derde van de bedrijven de technologie al in voor de productie van onderdelen. Het blijft ook helemaal niet beperkt tot kunststoffen prints voor huis-, tuin- en keukengebruik.
Lees ook: Waarom 3D-printen aan terrein wint
Zelfs het SpaceX van Elon Musk gaat onderdelen van zijn raketmotoren 3D-printen omdat die dan sneller voorhanden zijn dan wanneer ze op de traditionele manier vervaardigd moeten worden. Onlangs liet het private ruimtevaartbedrijf weten dat het een klep voor een van de Falcon-raketten heeft laten 3D-printen. Dat nam slechts twee dagen in beslag, terwijl de traditionele fabricagetijd een week zou bedragen. Het toont maar aan hoeveel tijd en geld er bespaard kan worden wanneer meer mechanische onderdelen in allerlei sectoren ge-3D-print zouden kunnen worden.
3D-printing vandaag
3D-printing wordt ook wel additive manufacturing (AM) genoemd. Vanuit een digitaal bestand wordt een driedimensionaal object gemaakt door laagje per laag je toe te voegen (vandaar ‘additief’) tot het object in kwestie helemaal gevormd is volgens de blauwdruk. Dat is het belangrijkste onderscheid voor 3D-printing, tegenover het oudere subtractive manufacturing. Daarbij start het productieproces met een solide object, waarvan vervolgens materiaal weggehaald wordt. Denk daarbij aan traditionele CAD-software die metalen onderdelen produceert uit een blok aluminium door overtollig materiaal weg te snijden tot de vorm overeenkomt met de blauwdruk. Het nadeel is dat er daarbij dus heel wat materiaal verloren gaat. Omdat 3D-printing opbouwend werkt, is de hoeveelheid afval beperkt en is er alleszins geen recyclageproces nodig om grondstoffen opnieuw bruikbaar te maken.
Afhankelijk van het basismateriaal (poeder, filament, vloeistof) hou je alles wat je niet gebruikt in een print over, wat je vervolgens kan gebruiken voor een nieuwe print. Bij conventionele methoden kan het overgebleven materiaal vaak niet meer worden gebruikt. Dat ‘afval’ kan in veel gevallen worden gerecycleerd, al kost het wel de nodige energie. Bovendien breng je bij additive manufacturing enkel materiaal aan op plekken waar dat nodig is. Bij conventionele methoden is het soms makkelijker en efficiënter om materiaal op sommige plekken van een product te laten zitten, waardoor je dit materiaal als het ware verspilt. Met een 3D-printer kan je ervoor kiezen om alleen materiaal te gebruiken op plekken waar dit echt nodig is. Dit voorkomt verspilling van het materiaal. Bovendien wordt het onderdeel daardoor een stuk lichter.
Wel is het afhankelijk van je 3D-printtechnologie noodzakelijk om gebruik te maken van ondersteuningsstructuren binnen een 3D-print. Dit is echter vaak nog altijd efficiënter en zorgt voor minder afval dan conventionele methoden. 3D-printen of additive manufacturing is breder inzetbaar dan ooit tevoren.
3D-printing breekt door in alle mogelijke sectoren van de maakindustrie.
Sinds de technologie toegankelijker is geworden voor consumenten, is er ook een grotere acceptatie en inzetbaarheid binnen bedrijven merkbaar. De technologie wordt vandaag de dag toegepast in verschillende bedrijfstakken, waaronder de medische wereld (zowel chirurgisch als dentaal), de automotive, de maakindustrie, de bouw en de luchtvaart. Additive manufacturing is op vrijwel iedere technologie toepasbaar. Een laptop, smartphone, gameconsole of smartwatch: ze kunnen allemaal (deels) worden gemaakt met behulp van 3D-printers. Techfabrikanten zetten 3D-printers in om prototypes te maken of om haalbaarheidsonderzoeken uit te voeren. Zo kunnen fabrikanten experimenteren met andere materiaalsoorten dan die doorgaans gebruikt worden voor elektronica, zoals technisch keramiek.
De voordelen zijn talrijk
Er is een belangrijke reden waarom 3D-printen de laatste jaren steeds meer aan terrein wint: het heeft namelijk vele voordelen ten opzichte van conventionele maakmethodes. Deze voordelen kunnen een reden zijn waarom je zelf met additive manufacturing binnen je bedrijf aan de slag zou moeten. Additive manufacturing geeft meer ontwerpvrijheid. Bij conventionele technologieën ben je voornamelijk gebonden aan de gereedschappen die gebruikt worden om het materiaal weg te halen. Met een boor is een vierkant gat realiseren geen gemakkelijke opgave, maar voor een 3D-printer is dit een peulschil. 3D-printers moeten overigens wel aan bepaalde ontwerpregels voldoen, aangezien niet ieder ontwerp printbaar is. In het algemeen kan je echter wel stellen dat 3D-printers complexere ontwerpen kunnen maken.
Bij conventionele toepassingen is het makkelijker om enkel gebruik te maken van rechte lijnen, terwijl het bij additive manufacturing niet zoveel uitmaakt welke vorm het product heeft. Daarnaast kan je interne structuren fabriceren, terwijl je bij de conventionele methode al snel een onderdeel moet opdelen in verschillende delen. Denk bijvoorbeeld aan een warmtewisselaar/koelelement.
Makkelijker dan bij conventionele methodes is het om door middel van 3D-printing onderdelen te personaliseren. Een prothese ter vervanging van een bot of gewricht kan op maat worden gemaakt door middel van een 3D-scan en 3D-printer. Ieder mens heeft een ander formaat of vorm van een bepaald bot. Met additive manufacturing is hiervoor nauwkeurig maatwerk mogelijk. Als je slechts één product of een zeer beperkte oplage nodig hebt, kan het daarnaast haalbaarder en efficiënter zijn om te kiezen voor additive manufacturing ten opzichte van de conventionele methodes. 3D-printen is dan ook te zien als een soort plug-and-play-methode.
On-demand produceren
3D-printen maakt het mogelijk om een design sneller tastbaar te maken. Als je een design wil printen, kan het zo simpel zijn om enkel op een knop te hoeven drukken. Natuurlijk moet je eerst een design ontwerpen of verworven hebben. Ook is het belangrijk dat je instellingen goed staan en je de juiste hoeveelheid materiaal bij de hand hebt. Eenmaal gestart is een print na een x-aantal uur klaar. In theorie kan een object hierdoor razendsnel bij een klant liggen of worden gebruikt voor eigen doeleinden. Bij conventionele methodes bestaat het maken van een design regelmatig uit verschillende stappen, zoals boren, slijpen en assembleren. Voor iedere vorm is een andere bewerking nodig en dat kost doorgaans meer tijd dan het maken van hetzelfde product met behulp van een 3D-printer. Het is bovendien makkelijker om snel aanpassingen te maken aan het design en zo tot een steeds beter prototype of product te komen.
Het is mogelijk dat je niet langer een fysiek magazijn nodig hebt of juist op voorraadruimte kunt besparen, aangezien je 3D-printer on-demand onderdelen kan printen. In bepaalde gevallen is het niet nodig of niet handig om alle onderdelen in een magazijn te hebben liggen. Het kan efficiënter zijn om onderdelen aan de hand van een ontwerp en snelle fabricagemethode (3D-printen) on-demand te produceren. Neem een onderzoekslaboratorium op de Zuidpool. Het transport van onderdelen is kostbaar, maar je wil wel snel reserveonderdelen hebben. Je hebt enkel een digitale database van je onderdelen nodig en een 3D-printer met het benodigde materiaal. Is een onderdeel aan vervanging toe, dan haal je simpelweg je ontwerp op en start je de print met een spreekwoordelijke druk op de knop.
Power to the people?
Repareren we straks zelf het oled-display van onze smartphones? Als het van Amerikaanse onderzoekers afhangt, gaan we ons eigen scherm 3D-printen. Het blijft zowat de grootste nachtmerrie van iedere smartphone-eigenaar: het oled-display dat stuk gaat. Het laten vervangen is vaak een duur grapje, en bij oudere smartphones is het meestal goedkoper om gewoon een nieuw toestel aan te schaffen. Onderzoekers van de University of Minnesota Twin Cities hebben daar wat op gevonden. De researchers hebben naar eigen zeggen het eerste flexibele oled-display ontworpen dat je kan 3D-printen. In theorie zal je niet meer afhankelijk zijn van fabrieken of hersteldiensten om je smartphones en tablets te repareren.
De nieuwe methode combineert twee technieken voor 3D-printen. Concreet worden er zes lagen geprint die nodig zijn voor een functioneel display. Het team maakte gebruik van zogenaamd ‘extrusion printing’ om elektroden, isolatie en tussenverbindingen te maken. Bij vorige pogingen doken er wat lichte verschillen op in de uniformiteit van het display. Daarom moesten ze een beroep doen op technieken buiten 3D-printing, zoals spin-coating en thermische verdamping. Het nieuwe prototype is maar 1,5 inch breed en telt 64 pixels. Het spreekt voor zich dat er veel hogere resoluties gehaald moeten worden om het praktisch nuttig te maken. Een full-hd-scherm van 1080p telt meer dan 2 miljoen pixels. De wetenschappers willen ook de helderheid van de geprinte displays verbeteren.
De universiteit bouwde een custom 3D-printer die even duur is als een Tesla Model S. Het zal dus nog wel een tijdje duren voordat de technologie klaar is voor thuisgebruik. Maar, de eigenschappen van de technologie zijn wel veelbelovend en maken er een haalbaar doel van om op termijn zelf onze displays te printen. Hoewel er natuurlijk nog meer vaardigheden komen kijken bij het vervangen van een oled-scherm, kan het thuisgebruikers op termijn minder afhankelijk maken van de (dure) vervangonderdelen die fabrikanten en herstellers aanbieden. Dit voorbeeld toont dat 3D-printing niet alleen de toekomst kan worden bij grote fabrikanten, maar het zorgt ook voor een grotere zelfredzaamheid om zelf onze spullen te repareren met vervangonderdelen en zo het herstelmonopolie van de grote bedrijven te doorbreken.
