Als een machine een ruimtelijk object creëert aan de hand van een op de computer getekend 3D-ontwerp, dan noemen we dat 3D-printen. De oudste 3D-printtechnologieën bestaan al ruim dertig jaar.

Met 3D-printen heb je nooit het probleem dat je ergens niet bij kunt. Daardoor zijn veel lichtere en complexere ontwerpen mogelijk.

YouTube

Bijvoorbeeld dit fietsframe. Video: TU Delft

Het printen zelf gebeurt op heel verschillende manieren. In deze explainer ga ik in op de soorten materialen die kunnen worden geprint en leg ik de meest voorkomende technologieën en termen uit in lekentaal. In de video’s kun je verschillende printprocessen zien.

De ware revolutie is niet thuis 3D-printen, maar ons huis 3D-printen Het was een grote mediahype de afgelopen jaren: de 3D-printers die onze complete huisraad zouden gaan printen, thuis. Teleurgesteld over de realiteit? In werkelijkheid vindt de revolutie ergens anders plaats: in hightechfabrieken. Lees het verhaal over wat 3D-printen betekent voor de industrie hier

Materialen: van plastic tot goud, van glas tot deeg

Lange tijd was 3D-printen synoniem aan plastic spullen maken. Maar de materiaalbarrière wordt nu om de haverklap doorbroken. Voor consumenten zijn houtpulp, porselein, titanium, zilver en goud al binnen bereik. Voor de hightechindustrie zijn vooral metalen van belang - onderdelen van de raketten van ruimtebedrijf zijn geprint met de supersterke, hittebestendige

Een lastige was glas, maar dat lijkt het Massachussetts Institute of Technology nu ook gelukt:

Vimeo

Transparant glas 3D-printen, sinds 2015

Als je het over materialen hebt, kun je nog wel even doorgaan met alle experimenten en promotionele stunts van het moment, waaronder voedselprinters (waaronder en Grootte is ook geen fundamenteel probleem: in China bouwen printers zo groot als fabriekshallen, waar hele huizen van gerecycled bouwafval, gemixt met cement, uitrollen.

YouTube

Het experimenteel 3D-printen van een huis, video april 2016

Wat kan er niet? Daar kom ik zo op terug. Maar eerst even wat over het printen van levend weefsel.

Speciaal materiaal: weefsel voor mensen

Het printen van levend weefsel behoort tot de vroege successen van 3D-printen. De meeste labs ontwikkelen hun eigen bioprinters. Onderzoeker Anthony Atala bouwde letterlijk een om cellen die hij opkweekte in petrischaaltjes met malletjes in de goede vorm te printen. Inmiddels printen zijn printers complexe structuren, waaronder Geprinte weefsels ontwikkelden na implantatie in ratten en muizen zelf bloedvaten.

YouTube

Een bioprinter van biotechlab Organovo print weefsel

Veel successen zijn er in de wereld van protheses, zie bijvoorbeeld wat het UMC Utrecht deed voor Een al bijna alledaagse toepassing is het fabriceren van nieuwe tanden.

YouTube

Zo werkt het printen van kronen

Printmethode 1: laagjes spuiten met een printkop

De bekendste 3D-printers, die ook hobbyisten inmiddels voor onder de duizend euro in huis kunnen halen, bevatten een spoel met draad (‘filament’) die de kunststof grondstof vormt voor een object. Die spoel kan vervangen worden, zoals een cartridge in een inkjetprinter. De kunststof wordt zacht gemaakt en komt uit een printerkop, een beetje zoals inkt uit een inkjetprinter.

Hieronder zie je de Makerbot, een populair consumentenmerk, aan het werk. Op een plaat die langzaam naar beneden zakt terwijl een laser met uv-licht het bovenste gespoten laagje uithardt, ontstaat langzaam (vaak in een proces van uren, soms dagen) een object van plastic.

YouTube

De Makerbot print een pilon

Kom je de termen fused deposition modeling (FDM), fused filament fabrication (fff), plastic jet printing, of extrusion printing tegen? Dan gaat het over printen op deze manier.

Ook de meest betaalbare industriële printers om kunststof te printen werken volgens dit principe.

Printmethode 2: poeder aan elkaar laseren

Heel anders werken industriële metaalprinters. Een laserstraal die de patronen in de 3D-ontwerptekening volgt, smelt het poeder dat onderdeel moet worden van het object aan elkaar. Op deze manier werken ook de metaalprinters bij een bedrijf als Materialise of Shapeways, waar consumenten hun 3D-ontwerptekeningen van bijvoorbeeld gouden ringen kunnen laten uitprinten en desgewenst te koop zetten. Er zijn ook printers die op deze manier kunststof voorwerpen (nylon) printen.

YouTube

Een printer van EOS aan het werk (het printen begint op 0:11)

Namen voor dit proces die je kunt tegenkomen zijn Selective Laser (SLS), of als het specifiek om metaal gaat: Direct Metal Laser Sintering (DMLS).

Printmethode 3: plastic uit een badje uitharden

Een andere belangrijke industriële printmethode voor plastic (gepatenteerd in 1984), die nog steeds wordt gebruikt, heet Stereolithography of SLA. Hierbij zit de grondstof niet aan een spoel, maar ligt vloeibaar in een badje (een ‘resin’). Een laser hardt het model op de ontwerptekening uit.

YouTube

Zo gaat Stereolithografie (SLA) in zijn werk

De vier belangrijkste beperkingen

Je zou in de hausse van succesvolle ontwikkelingen haast vergeten wat de beperkingen zijn. En dat zijn er nogal wat.

  • Grondstoffen: Ja, steeds meer materialen kunnen worden geprint. Maar zo’n beetje elke grondstof heeft zijn eigen printer - geldt al als revolutionair. Een universeel systeem dat met meerdere soorten materialen kan werken, lijkt nog ver weg. Katoen, wol, zijde zijn voorbeelden van materialen die überhaupt nog niet kunnen worden geprint. (En ook een dorp printen op de maan van maanstof is nog niet gelukt, maar hiervoor van te realiseren binnen 14 jaar).
  • Kleur: We zitten feitelijk nog in het monochrome 3D-printtijdperk. Veelkleurenprinten kan op zandsteen, maar dat is heel breekbaar.
  • Kwaliteit: De brosheid van 3D-prints is een algemener probleem. Met name plastic kan veel spanning niet aan doordat er laagje voor laagje wordt geprint. Hoewel meer en meer materialen geprint kunnen worden, kan dat vaak nog niet op de meest wenselijke manier, met alle flexibele en veelzijdige eigenschappen die we van (bijvoorbeeld) de plastics-industrie gewend zijn. Dus ja, een huis printen kan wel, maar een simpele nylon verbinding printen die even sterk is als een gegoten model kan niet.
  • Tempo: Het printen zelf, het laten afkoelen van prints, het schoonblazen en afschuren: alles kost uren, zo niet dagen. En heel veel menselijke begeleiding, handigheid en mankracht - daar zitten bij een bedrijf als Shapeways (waar je je ontwerptekeningen kunt laten uitprinten) de meeste kosten in, en dat is ook de reden dat je iets dat je bij een 3D-printbedrijf print over het algemeen niet de volgende dag in huis hebt. Waarschijnlijk is dit de belangrijkste reden dat 3D-printen nog zo weinig heeft veranderd aan commerciële massaproductie. Te traag, en daarmee: te duur.

Gaat de nieuwe printmethode CLIP deze beperkingen oplossen?

Een nieuwe, vorig jaar gepresenteerde 3D-printtechniek voor kunststof is Continuous Liquid Interface Production (CLIP). Het bedrijf dat deze techniek ontwikkelde, claimt revolutionaire snelheden en zegt de kwaliteit van reguliere gegoten plastics te benaderen.

YouTube

In minuten print deze CLIP-printer van Carbon3D een model-Eiffeltoren

Zoals de naam al suggereert is dit een continu proces, in tegenstelling tot bovenstaande technieken, waarbij een printerkop of een laser heen en weer moet springen om laagjes te creëren: bij Carbon zien ze dat als een langdurig herhaald proces van 2D-printen.

CLIP reguleert de toevoer van licht en zuurstof, waardoor een object als het ware ‘groeit’ uit een reservoir. Daardoor wordt het niet uit laagjes opgebouwd, en komt het qua sterkte in de buurt van traditioneel gegoten plastic, aldus de chemici van het bedrijf, die bovendien stellen dat ze er elke soort polymeer mee kunnen printen - dus van heel zacht tot elastisch tot sterk en flexibel tot keihard plastic. Carbon zegt dat met dit CLIP zelfs binnen bereik liggen.

Carbon zegt dat de CLIP-printtechniek 25 keer tot is als de bestaande commercieel beschikbare technieken. Ook de nabewerking is sneller. Google kocht het bedrijf vorig jaar voor 100 miljoen dollar. De printers zijn sinds april dit jaar voor bedrijven voor 40.000 dollar per jaar: Johnson & Johnson, Ford en BMW behoren tot de eerste afnemers.

Wat de pro zegt in plaats van ‘3D-printen’

Nog een laatste term die je kunt tegenkomen: additive manufacturing. Vrij vertaald: iets maken door iets toe te Omdat poeder aan elkaar smelten niks met printen te maken heeft, gebruiken ingewijden liever additive manufacturing als overkoepelende term dan 3D-printen. Iets maken door materiaal weg te halen (door te slijpen of weg te knippen bijvoorbeeld) heet dan subtractive manufacturing.

Wil je mijn werk volgen of helpen? Schrijf je in voor mijn nieuwsbrief, dan hou ik je per mail op de hoogte van de stukken die ik schrijf en de vragen die ik heb. Abonneer je hier

Meer lezen?

De daghap graag, vers uit de printer Met één druk op de knop een gezonde maaltijd printen: is dat onze culinaire toekomst? Een manier om honger te bestrijden zelfs? Ik onderzoek de mogelijkheden van de voedselprinter. Lees het verhaal van Daphné hier terug De race tegen de machine Bijna de helft van alle banen loopt een groot risico te worden ingepikt door een robot. Niet over honderd jaar, maar binnen twintig jaar al. Het is een van de grootste uitdagingen van deze tijd: hoe overleven we de eeuw van de machine? Lees het verhaal van Rutger hier terug De mens van de toekomst print zich voort en eet plastic soep Om de gevolgen van klimaatverandering te beperken, zullen we ons gedrag moeten veranderen. Maar wat als we onszelf aanpassen? Hoe zouden we er dan uitzien? Een vraag waar illustrator Olf de Bruin wel raad mee wist, zoals je kunt zien in zijn boek Van Bollebast tot Voortprinter. Lees het verhaal van Sterre hier terug