Evolutie van de 3D-printer

Techniek Printen in drie dimensies ontwikkelt zich snel, dankzij ‘open source’: 3D-printers worden goedkoper, kunnen meer materialen aan en printen zichzelf.

Herbert Blankesteijn

Deze voorwerpen van suiker en cacaopoeder zijn 3D-geprint met selective laser sintering, waarbij poeder dat door een laserstraal wordt gesmolten vastsmelt aan het voorwerp-in-aanbouw. Foto's Bart van de Vorst, TNO

Thuis even een beschermhoesje printen voor je mobieltje, een mok of een setje bestek. Een eigen 3D-printer bouwen en dáár dan weer onderdelen voor printen. Eetbare objecten afdrukken. Het printen in drie dimensies maakt een groeispurt door. Het is deels een ‘open source’ techniek, waarbij kennis en ideeën vrij worden gedeeld. Zo gaan de ontwikkelingen des te sneller, tot profijt van iedereen.

3D-printen is ontstaan in de jaren tachtig als stereolithografie. In machines zo groot als een portiershok kon een ultraviolette straal een kunsthars laten stollen op een precies bepaalde plaats. Door laagje voor laagje te ‘schrijven’ met zo’n lichtstraal kon het apparaat een object opbouwen. Dat kon een 3D-ontwerp zijn uit de computer van een designer, maar ook het resultaat van een scan van een patiënt. Chirurgen waren onder de eerste gebruikers van de techniek. Het is mogelijk bijvoorbeeld beenprotheses op maat te printen, wat goedkoper is dan standaardprotheses aanpassen aan de individuele gebruiker, al gebeurt dit nog niet op grote schaal.

Toch is 3D-printen inmiddels, een kwart eeuw later, binnen het bereik van iedereen. Commerciële machines hoeven niet groter te zijn dan een kopieerapparaat en kosten vanaf 1.000 dollar. Nog mooier is het voor liefhebbers met een beetje knutselaarstalent en doorzettingsvermogen. Ontwerpgegevens voor zelfbouwapparaten zijn gratis op internet te krijgen en voor een paar honderd euro aan materialen schroef je je eigen 3D-printer in elkaar.

Een van de drijvende krachten in dit veld is professor Adrian Bowyer, werktuigbouwkundige aan de universiteit van Bath in Engeland. Hij is de geestelijke vader van de RepRap, een afkorting van Replicating Rapid Prototyper. ‘Rapid prototyping’ is een andere aanduiding voor 3D-printen. Een belangrijke toepassing is namelijk het snel (rapid) vervaardigen van een voorbeeld (prototype) van een ontwerp. En waarom replicating? Bowyers ambitie is een 3D-printer te ontwerpen die zelf zo veel mogelijk van zijn eigen onderdelen kan printen. “Als we bouten en moeren niet meerekenen, kan de RepRap de helft van de onderdelen nu zelf printen.” Metaal printen kan de RepRap namelijk nog niet en schoefdraad printen op plastic bouten en moeren is te veel gevraagd. Bowyer: “We zouden in plaats van bouten en moeren cilinders kunnen printen voor de bevestiging van onderdelen en de zaak dan aan elkaar lijmen. Maar reparatie en onderhoud wordt dan lastig, daarom doen mensen dat niet.”

Liefhebbers

Bowyer stelt sinds 2005 het meest recente ontwerp van de RepRap gratis beschikbaar via internet volgens het open source-principe: de informatie is gratis en iedereen die uitbreidingen en verbeteringen ontwikkelt, is verplicht deze ook vrij beschikbaar te stellen. Zo is een bloeiende gemeenschap ontstaan van zo’n 15.000 liefhebbers die RepRaps bouwen en verbeteren en elkaar proberen te overtroeven in het printen van ingewikkelde voorwerpen.

Bowyer ziet de RepRap als een zelfreplicerende machine en de technische ontwikkeling van het apparaat als evolutie. “Ik zie geen verschil”, zegt hij, “tussen de zelfreplicerende machines die zich op natuurlijke wijze hebben ontwikkeld en de zelfreplicerende machines die we ontwerpen. Er is alleen een gradueel verschil: RepRap heeft er een evolutie opzitten van nog maar drie jaar; het leven op Aarde ontwikkelt zich al drie miljard jaar.” Een belangrijk feitelijk verschil is wel dat de RepRap zichzelf niet in elkaar zet.

Adrian Bowyer verwacht dat binnen afzienbare tijd zijn RepRap ook de kunst van het metaal printen machtig zal worden, zoals andere 3D-printers al wel kunnen. Dat zal RepRap in staat stellen een deel van zijn eigen elektronische circuits te printen. Een nieuwe mijlpaal in de evolutie van de 3D-printer.

Keramiek

Een van de Nederlandse enthousiasten is de Tilburgse informatiekundige Erik de Bruijn. “Open source nodigt uit tot experimenteren. Mede daardoor is het aantal beschikbare materialen snel toegenomen. Op dit moment is 3D-printen mogelijk in zeker zeven verschillende soorten plastic, en daarnaast in metaal – een legering van tin – en verder siliconen en zelfs keramiek.” De Bruijn heeft zelf de gratis verkrijgbare technologie van de RepRap gebruikt om een eigen 3D-printer te ontwikkelen, de Ultimaker. Deze verkoopt hij sinds mei van dit jaar in een eigen bedrijf, Ultimaking geheten. Een van de selling points is het werkvolume. Dat is groter dan bij andere apparaten op de markt, namelijk 21 cm in alle richtingen. De Bruijn: “Zo kun je een niet al te grote lampekap uit één stuk maken.” De Ultimaker wordt geleverd als bouwpakket en kost 1.194 euro. De ontwerpgegevens heeft De Bruijn, trouw aan de principes van open source, op internet gepubliceerd. Inmiddels heeft Metalab, een open laboratorium in Wenen, door nieuwe besturingssoftware te schrijven de Ultimaker veel sneller gemaakt. Deze software is voor De Bruijn gratis beschikbaar.

Voor ongeveer hetzelfde bedrag heeft de Technische Universiteit van Wenen overigens de kleinste 3D-printer ter wereld gemaakt: niet groter dan een schoenendoos. De makers verwachten dat het nog veel goedkoper en veel kleiner kan. Commercieel is hun bouwsel nog niet verkrijgbaar.

De RepRap en de Ultimaker kunnen niet in alle materialen printen. Bij verschillende materialen horen verschillende technieken. In New York zetelt Shapeways, een Nederlands bedrijf waar het publiek via internet driedimensionale ontwerpen kan uploaden. Shapeways print deze dan in een materiaal naar keuze en stuurt het resultaat op. Er zijn twaalf materialen beschikbaar. Daaronder verschillende plastics, glas, roestvrij staal, zilver en sinds enkele weken ook keramiek.

Oprichter Peter Weijmarshausen van Shapeways legt een aantal technieken uit: “Het makkelijkst te begrijpen is de techniek FDM (fused deposition modeling). Dit is de techniek die in de RepRap en de Ultimaker wordt gebruikt. Daarbij wordt het materiaal in een draad aangevoerd, gesmolten en laagje voor laagje neergelegd. Dan heb je selective laser sintering, waarbij poeder door een laserstraal wordt gesmolten en vastsmelt aan het voorwerp-in-aanbouw. Met deze techniek kun je zelfs bijvoorbeeld twee ringen maken die in elkaar haken. Dat geeft heel interessante mogelijkheden, je kunt bijvoorbeeld kettingen maken en zelfs maliënkolders. En dan is er de polyjettechnologie, waarbij druppeltjes kunststof op een plaat worden gespoten, waarbij ze stollen. Later wordt het materiaal met ultraviolet licht verder uitgehard. Met deze techniek is de grootste precisie mogelijk. Details van 20 micron zijn haalbaar. Mensen die miniaturen verzamelen, bijvoorbeeld soldaatjes, vinden dat heel belangrijk. De wenkbrauwen moeten zichtbaar zijn.”

Het is intussen zelfs mogelijk driedimensionaal te printen in kleur. Daarvoor wordt een gipsachtig materiaal gebruikt. Weijmarshausen: “Het gips wordt met lijm aan elkaar geplakt. We gebruiken een gewone printkop uit een Hewlett-Packard inktjetprinter, met de lijm in het zwarte reservoir en de kleuren in de reservoirs waar ze normaal zitten. Telkens wordt een nieuw laagje gipspoeder over het groeiende model gestrooid en vastgeplakt met lijm vermengd met de juiste kleuren. Zo kun je modellen maken in alle kleuren van de regenboog.”

Waar Adrian Bowyer met het open source-principe een gemeenschap van techneuten wist in te schakelen, is dat Shapeways gelukt met ondernemende ontwerpers. De gemeenschap van Shapeways-klanten is volgens Weijmarshausen 100.000 man groot. Op de website van Shapeways kun je niet alleen een kopie van je eigen ontwerp bestellen, je kunt er ook een winkeltje beginnen en printjes van je werk aan anderen verkopen. Er zijn sieraden te kust en te keur, maar ook bijvoorbeeld een bikini uit de printer en een werkende miniatuuruitgave van het bekende ‘strandbeest’ van de Nederlandse technisch kunstenaar Theo Jansen. (Het originele strandbeest is een meer dan manshoog gevaarte van pvc-buizen dat door de wind aangedreven over het strand wandelt.)

Revolutie

Een andere succesfactor van Shapeways is het geautomatiseerd oplossen van technische problemen. “Toen we begonnen, in 2007, kon de helft van de bestanden die werden geüpload om technische redenen niet worden geprint”, zegt Weijmarshausen. Het 3D-ontwerp van een kubus bijvoorbeeld bestaat uit zes wiskundige vlakken, die een precies gesloten geheel moeten vormen om een massieve ‘print’ op te leveren. Als de ontwerper tussen twee vlakken per ongeluk een microscopisch spleetje heeft gecreëerd, interpreteert de printer het ontwerp als een holle ruimte met oneindig dunne wanden – en valt er dus niets te printen. Weijmarshausen: “Wij hebben software gebouwd die zulke fouten automatisch herstelt. Tegenwoordig kan daardoor 92 procent van de opdrachten worden uitgevoerd.”

Volgens Weijmarshausen staan we aan het begin van een revolutie: “3D-printen wordt een belangrijke productietechniek. Niet voor goedkope massaproductie voor de gemiddelde smaak maar voor unieke producten tegen een redelijke prijs. Er zullen steeds meer materialen mogelijk zijn, wie weet zelfs hout en steen. Of materialen die we nu nog niet kennen. Je kunt op microscopisch niveau materialen mengen: glas met plastic, glas met keramiek. En daardoor kun je producteigenschappen krijgen die je niet kunt maken met andere productietechnieken zoals gieten. Je kunt een voorwerp zo maken dat áls het stukgaat, het op een bepaalde manier stukgaat. Bijvoorbeeld met een opzettelijk zwakke naad. Als dat bezwijkt, gebeurt dat op een beheerste manier, wellicht op een manier die makkelijk te herstellen valt.”

Weijmarshausen gelooft dat 3D-printers betaalbaar zullen worden voor de consument, zodat die gebruiksvoorwerpen als serviesgoed of eenvoudige onderdelen zelf kan printen op basis van een ontwerp dat van internet wordt gedownload. Maar kwaliteitsproducten zal de consument niet zelf willen maken: “Als ik visitekaartjes nodig heb, ga ik ze echt niet zelf printen. En voorlopig heb je voor verschillende materialen ook verschillende machines nodig, en de gemiddelde persoon koopt er geen zes. Dus voor ons blijft er genoeg te doen.”