3D-printen voor iedereen Nieuwe printtechnologie zet de industrie op z'n kop: Geeft ontwerpers vrij spel - geen vorm is te ingewikkeld. Produceert stevige onderdelen voor oa. vliegtuigen en satellieten. Bouwt alle delen uit één stuk op. Lassen en schroeven hoeft niet meer. Maakt zo'n beetje alles van metaal, plastic en keramisch materiaal. Print persoonlijke kledingstukken, die zowel sterk als licht zijn.. 3D-print in 3 fasen Een professionele, lasergebaseerde 3D-printer maakt in een handomdraai metalen voorwerpen voor de industrie, in wat voor vorm dan ook. Hij gaat aan de slag en levert een kant-en-klare product af. 1 Metaalpoeder maken Metaal wordt gesmolten en weer gekoeld door er ijskoude gas met hoge snelheid op te blazen. Het gas verstuift het metaal tot een ultrafijn poeder. 2 Voorwerp vormen in de computer Een computerprogramma bouwt een voorwerp af scant het in drie dimensies in en bewaart het design als een 3D-printbestand in duizenden laagjes 3 Tekening uitdraaien Het bestand wordt geprint. Een laser smelt metaalpoeder op de bodem van de printer in het gewenste patroon, waarna het afkoelt. Daarna komen nieuwe laagjes poeder overheen. Op tafel liggen de allernieuwste 3D-prints: drie kunstkiezen van titanium. Tot op de micrometer nauwkeurig passen ze in de mond van een patiënt, die van tevoren is opgemeten met een 3D-scanner. Hierna worden ze met keramisch materiaal gecoat. Deze kunstkiezen bevinden zich bij het Deense 3D-printbureau Damvig Develop. Hier produceren 3D-printers al bijna 15 jaar dagelijks stapels prototypen van stevige kunststof- van mobieltjes en monturen tot vazen en hele meubelen. De klanten zijn grote productiebedrijven, die hun constructies getest willen hebben voor ze tot massaproductie overgaan. Tegenwoordig vormen prototypen en kunststoffen slechts één tak van de hele 3D-printindustrie. De laatste jaren zijn industriële 3D-printers zo goed dat ze vliegtuigonderdelen, volledig werkende implantaten en consumentenproducten van metaal en keramiek kunnen printen- producten die net zo sterk zijn als hun conventionele tegenhangers, maar heel licht. Een groot voordeel van 3D-printers
is dat ingenieurs en ontwerpers veel meer vrijheid hebben bij het vormgeven van hun producten. Met een 3D-printer hoeft de fabrikant niet te bedenken wat productietechnisch het handigst is, want er hoeft niets gegoten, gefreesd, gelast of geschroefd te worden. Een 3D-printer bouwt alles wat hij maakt uit één stuk. Dit jaar verlopen belangrijke patenten op lasergebaseerde 3D-prints, zoals het patent dat de Amerikaan Carl Deckard heeft op de technologie die ten grondslag ligt aan 3D-prints in metaal. Deskundigen in de industrie denken dat de technologie daardoor nog meer wind in de zeilen krijgt, want bedrijven en wetenschappers kunnen de techniek nu doorontwikkelen. Een vergelijkbare situatie ontstond in 2009, toen patenten op de technologie die simpele 3D-kunststofprinters toepassen, verliepen. Daarop gingen bedrijven met de technologie aan de slag en kelderde de prijs van de printer tot een paar honderd euro, waarmee hij ook betaalbaar werd voor de consument. Sindsdien stijgt de verkoop jaarlijks met ruim 300 procent. Zoals de komst van de lopende band in de fabriek een revolutie teweegbracht in de industrie, zo kan ook de toegang tot de technologie van professionele, op laser gebaseerde 3D-printers het begin zijn van een heel nieuw industrieel tijdperk. Lang onderweg geweest Al is de technologie om een 3D-print te maken pas sinds kort het stadium van prototype voorbij, het idee zelf bestaat al tientallen jaren. Een van de eersten die ermee gingen werken was de Amerikaan Charles Hull, die al halverwege de jaren 1980 patent nam op stereolithografie, een methode waarbij een geconcentreerde straal ultraviolet licht gericht wordt op een dunne laag met een oplossing van fotopolymeer: een lange keten moleculen die andere eigenschappen aanneemt bij blootstelling aan licht. Als de polymeer belicht wordt, gaat hij van vloeibare in vaste vorm over. Zo worden voorwerpen met licht in de polymeer getekend en dan laagje voor laagje opgebouwd. Ook de basis van het metaalprinten is al halverwege de jaren 1980 ontwikkeld. Carl Deckard en Joe Beaman, beiden vdn de Universiteit van Texas, ontwikkelden selective laser sintering (SLS). Dat de laser in een 3D-printer sintert wil zeggen dat hij ultrafijn metaalpoeder verhit tot net onder het smeltpunt, zodat de poederdeeltjes aan elkaar kleven. Dat levert een wat poreus product op, dat niet overal geschikt voor is. Daarom hebben onderzoekers van het Duitse Fraunhoferinstituut de technologie verfijnd. Ze kwamen uit op de methode selective laser melting (SLM): selectief lasersmelten. Daarbij wordt het poeder juist tot boven het smeltpunt verhit, zodat de deeltjes geheel met elkaar versmelten. Dat levert zeer stevige voorwerpen op, zonder het risico op kleine gaatjes met lucht. Een andere technologie om stevige metalen onderdelen te printen komt van het Zweedse bedrijf Arcam. De methode wordt electron beam melting genoemd, In plaats van metaalpoeder te smelten met behulp van laser maakt deze methode gebruik van elektronenstralen, die vele malen effectiever werken. 3D-print krijgt vleugels De 3D-geprinte metalen voorwerpen zijn hun waarde al aan het bewijzen binnen verschillende takken van industrie. Om te laten zien dat ze lang meegaan heeft het 3D-printbureau Solid Concepts in de VS alle onderdelen behalve de veren voor een M1911-pistool geprint van roestvrij staal. Dit bedrijf zette het pistool in elkaar en onderwierp het aan een 'marteltest': het vuurde 500 schoten achter elkaar af, en het pistool leed daar niet onder. Ook vliegtuigfabrikant Boeing print honderden soorten onderdelen voor tien vliegtuigtypen in 3D. Het Amerikaanse technologieconcern General Electric is bezig 3D-geprinte onderdelen voor zijn vliegtuigmotoren te ontwikkelen; het is de bedoeling dat complexe 3D-geprinte straalpijpen geïnstalleerd worden in de volgende generatie motoren van 2015. En Airbus Group verwacht op een dag hele vleugels te kunnen bouwen met de 3D-printer, en wie weet zelfs hele vliegtuigen. Voorlopig wil de maatschappij 3D-geprinte metalen onderdelen hoger de lucht in sturen door ze onder andere in satellieten in te bouwen. Een toepassing van de technologie dichter bij huis is te vinden in het leger van de VS. In een 20 voet lange container met de naam Expeditionary Lab Mobile in Afghanistan kan het dagelijks nieuwe prototypen produceren en in de praktijk uitproberen. 3D-printers kunnen ook snel de nodige reserveonderdelen leveren. Eén geprinte heup graag Maar niet alleen reserveonderdelen voor machines kunnen 3D-geprint worden - ook onderdelen voor je lichaam. Arcams printers hebben sinds 2007 zeker 30.000 metalen implantaten geproduceerd, zoals kunstheupen. Overal ter wereld werken onderzoeksteams aan een combinatie van 3D-printers, biologisch afbreekbaar materiaal en stamcellen om kraakbeen, organen en botten in het lab te maken. En de farmaceutische industrie is een van de grootste afnemers van industriële 3D-
printers. Zo zijn er al ruim tien miljoen 3D-geprinte hoorapparaten in omloop. De afgelopen jaren zijn ook schoenen, kledingstukken en sieraden van goede kwaliteit 3D-geprint. Lady Gaga, Beyoncé en Björk droegen vorig jaar 3D-jurken van onze eigen Iris van Herpen, ontwikkeld door het Belgische bedrijf Materialise. Nike en New Balance passen 3D-geprinte onderdelen toe in schoenen. De Britse ontwerper Ross Lovegrove lanceerde een collectie 3D-sieraden van 18 karaats goud en bij het Amerikaanse Shapeways kun je 3D-geprinte zilveren sieraden bestellen. Nog maar het prille begin De 3D-printtechnologie ontwikkelt zich stormachtig, en volgens deskundigen op dit gebied gaat dat nog wel even in dit hoge tempo door. Toch zullen 3D-printers de huidige technologieën vast nog niet verdringen, want machineonderdelen en consumentenproducten moeten massaal geproduceerd kunnen worden, Voorlopig is 3D-printen vooral geschikt voor kleine serieproducties, lichtgewichtconstructies, speciale voorwerpen, reserveonderdelen en producten die lastig te maken zijn op een andere manier. Maar 3D-printers zijn niet meer weg te denken en worden voor de industrie net zo belangrijk als ooit de stoommachines, werktuigbouwkundige toestellen en industriële robots waren. Mijlpalen in de industrie De 3D-printer staat in het rijtje van technische Innovaties die de manier Waarop we Voorwerpen maken, Volledig op z'n kop hebben gezet. 3,4 miljoen jaar terug Voorouders maken stenen Werktuigen De vroegste Sporen Van door mensen gemaakte werktuigen en wapens stammen van de Afrikaanse Voorouders van de mens Homo habilis, die jagen en Slachten met bewerkt vuursteen. 4000 v.chr. Mijnbouw begint Mensen in Europa beginnen met mijnbouw, Ze graven mijngangen en halen in eerste instantie materialen als koperen vuursteen uit de bodem. 2000 v.chr. IJzer wint terrein In Europa en Azië gaat de mens voorwerpen maken van ijzer. Daarvoor verhitten ze het ijzer tot zo'n 700 c, waardoor het zacht wordt en ze wektuigen en wapens van kunnen smeden. 1721 Eerste fabrieken gaan open De zijdefabriek van de Engelsman John Lombe zou de eerste geheel gemechaniseerde fabriek zijn geweest. Dankzij waterkracht en nieuwe machines kon Lombe een massaproductie op touw zetten. 18e eeuw Stoommotor wakkert de industrie aan Water- en windmolens en paarden worden vervangen door de stoommotor, die machines en rijtuigen veel handiger en effectiever van energie voorziet 18e eeuw Gelijke producten met werktuigmachines Met draaibanken,freesmachines, boormachines en andere apparaten is het mogelijk gelijke massaproducten te maken, en schroeven en bouten met precies dezelfde schroefdraad.
19e eeuw De mens heerst beheerst elektriciteit Elektriciteit drijft allerlei nieuwe machines in de industrie aan, en fabrieken gaan kunstlicht gebruiken, waarmee langere werktijden mogelijk zijn. 1913 Eerste lopende band Henry Ford introduceert de lopende band in zijn fabriek voor het vervaardigen van de T-Ford. Massaproductie wordt daardoor makkelijker snelle, en goedkoper. Jaren 1940 kunststof geeft nieuwe mogelijkheden Met de uitvinding van kunststof Worden producten goedkoper. Het materiaal is van invloed op de Productie van elektronica tot er, met verpakkingen. Jaren 1950 Computers nemen, de fabrieken over Eerst krijgen de fabrieken computers, die de machines aan kunnen sturen. Dan duiken er ook Industriële robots op, die effectieve, zijn dan mensen. Ze nemen de rol van de mens over, vooral bij geestdodend en anoniem werk. Nieuwe materialen lossen metalen af 3D-printers kunnen stevige voorwerpen maken van uiteenlopende materialen. Ook worden er nieuwe materialen gemaakt. Zo heeft het bedrijf Airbus Group een fiets in 3D geprint van een speciaal ontwikkeld nylonpoeder. Deze stof is zo sterk dat die aluminium en staal kan vervangen. Het Amerikaanse ontwerpbureau Emerging Objects heeft het bouwmateriaal cementpolymeer ontwikkeld: een speciaal cementmengsel om delen van gebouwen mee te printen, dat sterker en lichter is dan gewoon beton. Het bedrijf heeft ook manieren bedacht om voorwerpen te printen met zout en resten van de houtproductie. Zelf plastic printen Een professionele 3D-metaalprinter kost algauw een paar ton. Maar een simpele plasticprinter is binnenkort voor veel mensen binnen bereik. De laatste jaren zijn 3D-printers fors in prijs gedaald. De gewone consument kan voor een paar honderd euro thuis voorwerpen printen. Betaalbare 3D-printers gebruiken doorgaans kunststof als printmateriaal en werken met de simpele fused deposition modelling-technologie. Het zijn net geavanceerde Iijmpistolen: in plaats van poeder te smelten, bouwen ze een voorwerp uit vloeibaar materiaal op. Ook lasergebaseerde 3D-printtechnologieën zijn op weg naar de huiskamer. Het printbestand is op een computer te maken of met een 3D-scanner in te lezen. Door de grote prijsdaling denken onderzoekers dat elk huishouden over niet al te lange tijd over zijn eigen 3D-printer beschikt. Kinderen kunnen zelf hun speelgoed printen meteen 3D-plasticprinter. 3D-printers maken lichaamsdelen Onderzoeksgroepen overal ter wereld werken aan methoden om bijvoorbeeld kraakbeen, stukjes bot en organen in 3D te printen in het lab. Een van deze methoden is het printen van een complex raster van poreus, biologisch afbreekbaar plastic. Daar voegen ze bepaalde eiwitten aan toe en laten stamcellen uit het lichaam van een patiënt op de vorm groeien. Deze stamcellen ontwikkelen zich tot allerlei soorten cellen, al naargelang de toegevoegde eiwitten, en zo kunnen de onderzoekers de cellen laten uitgroeien tot bijvoorbeeld een nieuw stuk kraakbeen in de geprinte vorm. Ze denken dat de techniek over 10 À 20 jaar klaar is. Met 3D-printers en stamcellen willen wetenschappers organen maken.
Printers moeten helpen de ruimte te bevolken 3D-geprinte onderdelen gaan ook de ruimte in. Een groot Europees onderzoeksproject werkt aan een 3D-printer voor op het internationale ruimtestation ISS. Daarmee kunnen astronauten metalen reserveonderdelen printen. NASA wil een printer maken die astronauten met zich mee kunnen nemen in de ruimte - onder meer een die met ingrediënten maaltijden kan printen, of een pizzaatje. Als we bases op andere planeten gaan bouwen, krijgt de 3D-printer ook een rol. Die kan objecten printen met materialen die daar te vinden zijn. Een al gepland project moet een 1,5 meter lange muur op de zuidpool van de maan bouwen met behulp van 3D-printers en maanstof.