Je eigen smartphone printen, het kan

Je hebt in de reguliere media al wat opgevangen over 3D-printen? Wij vertellen alles wat je nog niet wist en beginnen met de vraag: wat is 3D-printen nu eigenlijk?

Eerst was er de stoommachine. Daarna kwam de elektriciteit en heel wat later de computer. Vandaag verklaren sommige fanatieke aanhangers van 3D-printen dat de volgende industriële revolutie al is ingezet. Wie  zich niets kan voorstellen bij 3D-printers en denkt aan de gewone huis-, tuin- en keukenprinters: daar heeft het weinig mee te maken.

Additief proces
3D-printen is een arbeidsproces waarbij een bepaald materiaal – van plastic tot voedingswaren – laag na laag wordt gestapeld. Op die manier wordt er een driedimensionaal object gevormd. In iets technischere termen gaat het om een additief proces, waarbij een object vanuit het niets wordt opgebouwd.

Als je een blok hout of een marmerblok gebruikt om daar een voorwerp uit te kappen of te zagen, spreekt men van een subtractief proces. 3D-printers zijn er bovendien in heel wat verschillende maten en soorten, al hebben ze allemaal één ding gemeen: ze bouwen hun objecten op basis van een digitaal bestand met driedimensionale gegevens.

Vaak gaat het om een CAD-bestand of een bestand dat via een 3D-scanner werd gemaakt. De eerste 3D-printer werd ontworpen door ene Charles W. Hull, ergens in het midden van de jaren tachtig. Hij had een bedrijf dat 3D Systems heette en dat zogenaamde stereolithografiemachines bouwde.

Bij deze technologie staat er een UV-laser gericht op een vat vol UV-gevoelige fotopolymeren, die dan de vorm aflijnt die gemaakt moet worden. Waar de straal het polymeer raakt, wordt het hard. Op die manier bouwt de straal het object laag na laag op. Deze techniek wordt ook vandaag nog gebruikt, vooral voor commerciële doeleinden, en de machines kosten vaak 100.000 euro of meer.

3D-printen is een verzamelnaam voor verschillende technieken. Op deze foto zie je een toepassing van Selective Laser Sintering, waarbij materiaal eerst wordt gesmolten en dan gerecycleerd.

Waarom heet het printen?
Op het eerste gezicht heeft 3D-printen weinig met printen te maken. Bij traditionele afdrukken wordt er met inkt immers letterlijk een afdruk gemaakt op papier, en dat is hier niet het geval.

Toch is de term vanuit technisch standpunt nu ook weer niet zo vergezocht. Bij gewone afdrukken wordt er immers ook een laag van een materiaal – in dit geval inkt – aangebracht. Alleen is die laag zo dun dat het hoogteverschil niet te zien is met het blote oog. Wat 3D-printen doet, is die hoogte uitbreiden door meerdere lagen aan te brengen.

3D-printen is trouwens een verzamelnaam voor verschillende technieken waarmee je objecten maakt. Je kunt onder meer vloeibare polymeren blootstellen aan het licht van een DLP-projector, waardoor die laag na laag verharden. Zo wordt er een object opgebouwd. Op het einde wordt het overblijvende, vloeibare polymeer dan weggespoeld.

Sommige 3D-printers kunnen complexe ontwerpen maken, maar ze hebben daar vaak een steunstructuur voor nodig. Achteraf wordt het object dan in een speciaal bad ondergedompeld om die steunstructuur op te lossen.

Veel van de technieken gebruiken een spuitkop om vloeibaar of gesmolten materiaal op een bouwplatform te spuiten, waarop het object gevormd wordt. In de meeste gevallen is het de spuitkop die heen en weer beweegt, al kan het ook omgekeerd.

Bovendien kun je, afhankelijk van de techniek, met verschillende materialen werken. Zo is 3D-printen niet alleen mogelijk met plastic of metaal, maar ook met keramiek, plaaster, glas en zelfs voedsel zoals kaas, glazuur en chocolade.

Voordelen
Wat kunnen we er eigenlijk mee, met dat 3D-printen? We sommen een aantal concrete toepassingen op:

Design en kunst
Designers kunnen dankzij een 3D-printer makkelijk concepten omzetten in 3D-modellen of prototypes (ook bekend als rapid prototyping). Zo wordt het voor hen ook eenvoudiger om eventuele fouten snel bij te stellen. Nu al worden er op die manier schoenen, wassen mallen voor juwelen, gadgets en speelgoed gemaakt. Kunstenaars gebruiken de techniek dan weer om sculpturen te maken die perfect uitbeelden wat ze op voorhand hebben uitgetekend.

In 2010 hield Museum M in Leuven een tentoonstelling met sculpturen gemaakt met 3D-printers, en eind 2011 kregen jonge ontwerpers de kans om 3D-modellen tentoon te stellen in het M HKA-museum in Antwerpen.

Het bijzondere aan beide initiatieven is dat er beeldhouwwerken werden getoond van artiesten die nog nooit een fysiek object hadden gecreëerd, maar meestal digitaal of op papier werken. Heel wat ontwerpers van meubelen en objecten zijn ook op het 3D-printing gesprongen, omdat het een snelle manier is om creatieve designs te realiseren. Unfold uit de buurt van Antwerpen is er bijvoorbeeld één van.

Voor zijn werk ‘Agrieborz’ deed de Belgische kunstenaar Nick Ervinck een beroep op 3D-printers. (foto: (c) nickervinck.com)

Wetenschap
Wetenschappers die onderzoek doen in afgelegen gebieden zoals de Zuidpool kunnen moeilijk gewoon naar de winkel gaan om een onderdeel dat stuk is te vervangen. In hun geval is een 3D-printer enorm handig: ze drukken het benodigde wisselstuk gewoon af. De techniek kan ook ingezet worden om delicaat onderzoek te vergemakkelijken.

Vindt een archeoloog een fragiel voorwerp, dan kan hij daar een 3D-scan van maken, en dan een kopie afdrukken. Een dinosaurusskelet in een museum? De paleontoloog maakt gewoon een scan van het hele geraamte en stelt de kopie tentoon.

De medische wereld
Misschien wel de mooiste toepassingen van 3D-printen zijn te vinden in de medische wereld. Zo kunnen protheses, gehoorapparaten en kunstgebitten makkelijk op maat worden gemaakt. En dat is nog maar het begin. Voor chirurgen delicate operaties uitvoeren, kunnen ze via CT-scans een replica maken van organen of tumoren, zodat ze perfect voorbereid aan de vaak vermoeiende ingreep beginnen.

Maar de meest tot verbeelding sprekende toepassing is ongetwijfeld de 3D-printer die lichaamscellen gebruikt als materiaal. Op die manier kunnen er kunstmatige organen worden opgebouwd, waardoor het donortekort meteen opgelost zou zijn. Dat project zit wel nog in de onderzoeksfase.

De industrie
De auto- en vliegindustrie maken ook vandaag al gebruik van 3D-printers om onderdelen af te drukken, maar ook voor kleinere bedrijven kan deze techniek van pas komen. Doordat je producten op bestelling kunt produceren kan het inventarisbeheer ook efficiënter en is er minder nood aan opslagruimte. Bovendien wordt er ook minder materiaal verspild, omdat er weinig residu overblijft.

Op dit moment moet er vaak geknipt, geboord of geslepen worden, en dat brengt veel afval met zich mee. In de elektronicawereld wordt er trouwens al langer een innovatieve manier van afdrukken gebruikt, zogenaamde Printed Electronics. Dat is een algemeen begrip voor het afdrukken van elektronische circuits op verschillende materialen als stof en karton, aan de hand van speciale inkt.

Op die manier kunnen elektronische apparaten tegen lage kosten worden gemaakt. Door deze techniek te combineren met 3D-printen, wordt het mogelijk om elektronische circuits en apparaten ook in lagen af te drukken. Dat klinkt misschien heel abstract, maar concreet betekent dat dat je binnen een aantal jaren misschien wel je eigen smartphone zou kunnen printen op basis van de 3D-plannen.

Voeding
Er zijn ook iets speelsere toepassingen te bedenken, zeker als het over voeding gaat. In de sciencefictionserie Star Trek komen er zogenaamde replicators voor in eetgelegenheden over het hele universum. Deze fictieve machines kunnen welke maaltijd dan ook produceren.

Als artsen via 3D-printen er ooit in slagen om een hart of nier met een organische structuur af te drukken, dan is het maar een kleine moeite om in te beelden dat je ook een geprinte steak op je bord kunt krijgen. Toch zal dat voorlopig toekomstmuziek blijven, want zo’n technologie zou niet erg kostenefficiënt zijn.

Over de hele wereld openen zogenaamde Fab Labs. Deze foto werd genomen in het Fab Lab van de universiteit van Minnesota.

In elk geval wordt er nu al gegoocheld met eten. Zo heeft Cornell University samen met het French Culinary Institute een 3D-printer ontwikkeld, de Fab@home, om kunstmatige lekkernijen te printen. Het befaamde Media Labs van de MIT-universiteit werkt rond hetzelfde thema, maar concentreert zich eerder op de interactieprocessen die nodig zouden zijn voor zo’n apparaat.

MIT bundelt zijn creaties treffend onder de naam Cornucopia, ofwel de Hoorn des overvloeds. Er zijn wel heel wat praktische problemen: zo zijn smaken gemakkelijker te recreëren dan texturen. Iets afdrukken wat smaakt als een steak is dus heel wat haalbaarder dan het eindproduct dezelfde mouthfeel (de technische term voor hoe voedsel aanvoelt in de mond) te geven.

Maar er is nog een groter en alledaagser probleem. Naargelang de gebruikte voedingstoffen moet er nogal kleverig spul door leidingen en printkoppen worden geperst.

Het gevolg is dat darmen en koppen snel verstopt raken. Als er ooit een replicator kan gebouwd worden, zal de gebruikte printkop bovendien heel complex zijn. Ingewikkelder dan bij een gewone 3D-printer, want de kop moet niet enkel heel gericht voedingswaren spuiten, maar tegelijkertijd substanties koelen of verwarmen. Voedsel afdrukken is interessant omdat het een antwoord kan zijn op bepaalde problemen.

Traditionele vleesproductie bijvoorbeeld is bijzonder inefficiënt en wordt door veel mensen als onethisch ervaren. Vlees printen via een voedselprinter zou minder belastend zijn voor het milieu. 

Naast onderzoekers zijn ook grote bedrijven bezig met de technologie. Philips bijvoorbeeld heeft uitgebreid onderzoek gedaan naar hoe zo’n printer in de markt kan worden gezet.

HP heeft met de DesignJet een 3D-printer voor thuisgebruik, al heb je dan wellicht ook een helikopter in je tuin staan.

Het bedacht een heel zakenmodel, gebaseerd op een mix van printers en het iTunes-model. Wat het Nederlandse bedrijf theoretisch voorstelt, is dat zo’n voedselprinter wellicht niet heel duur zou zijn maar dat je wellicht regelmatig de bederfbare cartridges met voedingssubstanties moet vervangen. Hoe vaak? In het concept zouden de ingrediënten in een patroon een zestal dagen vers blijven. 

Je moet dus regelmatig naar de winkel hollen. De gelijkenis met iTunes zou erin bestaan dat je op de printer recepten van bekende koks zou aankopen en meteen bereiden. De vraag is hoelang het nog zal duren voor er in elke keuken een printer staat om je eten wat extra cachet te geven. En hoe sociaal aanvaard zal zo’n voedselprinter zijn? Uit onderzoek blijkt er nog veel weerstand te bestaan tegen het idee van zo’n replicator.

Zelf 3D printen
We zijn voorlopig nog niet zo ver dat iedereen thuis zijn eigen smartphone afdrukt, maar toch zijn er wel wat mogelijkheden voor gewone consumenten. Zo heeft HP in samenwerking met Stratasys de DesignJet 3D uitgebracht, een kleuren- en monochroom 3D-printer. Die ligt met 17.500 dollar wel buiten het budget van de meeste mensen. Je moet gelukkig geen 3D-printer in huis hebben om ervan gebruik te maken.

Net zoals er afdrukdiensten bestaan voor je foto’s, zijn er ook 3D-afdrukdiensten die cadeau-items of kleine gadgets voor jou maken. Je kunt dan je eigen ontwerp in een CAD-bestand doorsturen of een keuze maken uit de onlinecatalogus, die in veel gevallen ook bestaat uit ontwerpen van andere gebruikers. Als je zelf aan de slag wil: bijna alle 3D-printers aanvaarden bestanden in het STL-formaat.

STL staat voor stereolithografie. Dit soort bestanden kan door bijna elke CAD-software gecreëerd worden, van dure commerciële pakketten als AutoCAD tot gratis of openbrontoepassingen als Google SketchUp en Blender. Veel 3D-printfabrikanten leveren bovendien hun eigen CAD-software mee, waarmee je 3D-objecten geoptimaliseerd zijn voor hun printers.

Dit conceptbeeld van Philips toont hoe in de toekomst replica’s van etenswaren gemaakt worden.

Openbron
Toch is er een lichtpunt voor iedereen die zelf aan het printen wil. Niet alle initiatieven op het gebied van 3D-printers worden door grote bedrijven genomen. Zij mikken met hun 3D-printers van tienduizenden euro’s vaak op bedrijven die aan rapid prototyping willen doen.

Gelukkig zijn er de laatste jaren ook verschillende relatief betaalbare 3D-printers verschenen. Vaak komen zulke projecten voort uit doe-hetzelfprojecten van creatieve handige Harry’s. Er is een groeiende groep mensen die vanuit een opensourcekijk aan 3D-printers sleutelen.

Vaak zijn het academici, maar er zijn ook bedrijfjes die zelfbouwpakketten op de markt aan het brengen zijn. Een mooi voorbeeld is Ultimaker, een Nederlandse start-up die een openbronprinter verkoopt voor net geen 1.200 euro. Je moet het toestel zelf in elkaar zetten, maar er komt geen soldeer- of zaagwerk aan te pas.

Voor dat bedrag krijg je een relatief grote printer, met een werkvolume van 21 x 21 x 22 cm en een resolutie van 0,0125 mm. De Ultimaker lust ABS-plastic en bio-afbreekbare PLA op spoelen, maar de makers moedigen gebruikers aan om te experimenteren met andere materialen. Ultimaker is zeker niet de enige betaalbare 3D-printer, maar het heeft wel het startschot gegeven voor veel 3D-printingprojecten.

Zoals 1,- € Per Minute Design, een eenmansfirma uit Amsterdam waar iedereen met zijn ontwerpen kan binnenwandelen en ze ter plekke kan laten afdrukken. Het gaat dan om voorwerpen als armbanden, kopjes of vazen. De Ultimaker is zeker niet de enige 3D-printer op basis van open source.

De allereerste was RepRap, een lowcosttoestel dat als unieke eigenschap heeft dat het zelfreplicerend is. Of met andere woorden: met één RepRap kun je (bijna) alle onderdelen voor een tweede apparaat produceren. Wie zelf de mouwen opstroopt, kan een RepRap bouwen voor circa 400 euro.

De Ultimaker is een openbronprinter die voor net geen 1.200 euro verkocht wordt.

De toekomst
We hebben geen glazen bol, maar doen toch een poging om te kijken wat de toekomst brengt voor het 3D-printen. Binnen een decennium zullen 3D-printers een vaste plaats hebben in de meeste huizen, en dan voornamelijk in werkplaatsjes, thuiskantoren en de keuken. Wellicht zal niet elk gezin zo’n printer hebben, maar zij die het wel in huis hebben gehaald, zullen het niet meer kunnen missen.

Op dit moment zijn de meeste objecten die met 3D-printers worden gemaakt homogeen, maar ook dat zal veranderen in de toekomst. Ontwerpen zullen complexer worden en verschillende materialen combineren.

Om het even concreet te maken: met de huidige generatie 3D-printers kun je een vervangend batterijklepje afdrukken voor je afstandsbediening. Binnen een aantal jaren print je gewoon een hele nieuwe afstandsbediening.

Een industrie die staat te springen om 3D-printen in te voeren is de ruimtevaart. De NASA is al aan het experimenteren en er is een klein bedrijf, Made in Space, dat de technologie intussen al heeft uitgeprobeerd in vluchten zonder zwaartekracht. CEO Aaron Kemmer noemde al verschillende toepassingen: astronauten zouden tijdens een ruimtemissie zelf kapotte voorwerpen kunnen vervangen of gereedschap kunnen afdrukken.

Daarnaast zou het mogelijk worden om grote leefhabitats op een planeet te maken, die dan ter plekke worden geproduceerd. De technologie staat op dit moment nog in zijn kinderschoenen, maar er is in elk geval heel wat aan het bewegen.

Voorlopig zijn het vooral start-ups en doe-het-zelvers die het voortouw nemen, maar stilaan geraken fabrikanten als HP geïnteresseerd. Die situatie valt te vergelijken met die van de pc in de laten jaren zeventig. We weten wat er mogelijk is, maar wellicht zullen we in de toekomst nog toepassingen zien die we ons nu met de beste wil van de wereld niet kunnen inbeelden.