maandag 6 april 2015

3 Dimensies van 3D-printen

3D-printen bestaat al meer dan twintig jaar. Pas enkele jaren geleden groeide het uit tot een soort hype. Vervolgens werd 3D-printen een gangbare productiemethode – de hype voorbij, maar nog steeds fascinerend.


Een archaïsche voorloper van het 3D-printen is de banketbakker die met een spuitzak een laag slagroom op een taart aanbrengt. Bij 3D-printen wordt op een ondergrond of een vorige laag een laag materiaal aangebracht. Door die volgende laag ten opzichte van de vorige iets te veranderen ontstaat er een vorm.

In een goed gekozen combinatie van printtechniek, materiaal, ontwerp en nabewerking kent 3D-printen vele mogelijkheden. Zo zien we op de foto hierboven een robot-gestuurde printkop die een object maakt, waarbij telkens een laag van 0,9 millimeter plastic wordt aangebracht. Dit is een apparaat voor het grove werk, bij de meeste 3D-printers wordt de printdikte in micrometers uitgedrukt.

Waarom 3D-printen?
Om te beginnen (zie mijn blogpost “Waarom je trouw blijft aan grote leiders” van 19 oktober 2013) de vraag waarom 3D-printen relevant is.
3D-printen kent verschillende voordelen ten opzichte van de gangbare bewerkingsmethoden, zoals verspanen, frezen en schuren – methoden waarbij materiaal wordt verwijderd om een specifiek object te vormen. Bij 3D-printen breng je het materiaal alleen aan waar je het nodig hebt. Dat brengt ons bij het eerste voordeel: materiaalbesparing.

Datzelfde voordeel uit zich in gewichtsbesparing, wat in de automobielindustrie van groot belang is om brandstofbesparingen te realiseren. Met 3D-printen kunnen structuren worden gemaakt die gangbare constructies uit massief materiaal vervangen door een soort geraamte, dat licht en tegelijkertijd stevig is. Bij die botachtige structuren kan een ongelooflijke fijnheid worden bereikt die met filigraan en kant vergelijkbaar is – lichtgewicht en verrassend stevig, een mooi voorbeeld van ‘biomimicry’.

Met 3D-printen kunnen complexe vormdelen worden gemaakt die met andere methoden niet of slechts uiterst moeizaam te realiseren zijn. Denk aan gecompliceerde koelkanalen en spruitstukken voor motoren. De ideale luchtstroom kan in een 3D-geprint vormdeel exact worden bereikt.

Dankzij 3D-printen kunnen productiestappen worden overgeslagen. Voor een bepaald metalen vormdeel zijn bijvoorbeeld 39 gangbare productiestappen nodig, die met 3D-printen tot negen stappen kunnen worden gereduceerd.

Hardware-Software-Materialen
De mogelijkheden van 3D-printen worden bepaald door drie dimensies: de hardware (de printer), de software (de programmatuur) en de materialen (de voeding voor de printer). Een optimaal resultaat wordt bereikt met de juiste printer, die op een correcte wijze wordt aangestuurd en die wordt gevoed met het juiste materiaal.

1. Hardware
Er zijn verschillende 3D-printtechnologieën. De meest gangbare zijn fused deposition modeling (FDM) en stereolithografie. Bij FDM wordt een object laag voor laag opgebouwd door met een ‘printkop’ gesmolten materiaal op de vorige laag aan te brengen. De vloeibare laag stolt door afkoeling tot een vaste laag. Terwijl het object wordt opgebouwd, beweegt de printkop omhoog. Voor FDM worden kunststoffen gebruikt, die als draadmateriaal (filament) op haspels verkrijgbaar zijn.

Bij stereolithografie wordt een object laag voor laag uit vloeistof (hars) opgebouwd. De vloeibare laag wordt onder invloed van uv-licht (of laserlicht) een vaste laag. De lichtbron fungeert hier als ‘printkop’, de vloeistoffen worden fotopolymeren genoemd. Wanneer een laag is aangebracht, zakt het object – dat op een platform staat – dieper in het bassin.

Het vergt een investering als je extra wensen hebt, bijvoorbeeld wat betreft nauwkeurigheid, formaat of de mogelijkheid om materialen te combineren. De aanschafprijs voor een 3D-printer loopt uiteen van ruwweg 2.000 tot 100.000 euro.

2. Software
Door de toenemende rekenkracht van processoren heeft het 3D-printen een enorme vlucht genomen. Er worden hoge eisen gesteld aan de software die zorgt dat een object in de gewenste detaillering wordt geprint, bij voorkeur zo efficiënt mogelijk.

Scanning is een verwante technologie, want daarmee worden bestaande objecten in een printbestand omgezet. Het menselijke hoofd op basis van de scan van een echt hoofd is een favoriet demonstratie-object. Of kunstobject, zoals de scans van de IJslandse zangeres Björk, die momenteel te zien zijn in het Museum of Modern Art (MoMA) in New York.

3. Materialen
In FDM-printers worden kunststoffen gebruikt, vooral polymelkzuur (PLA) en acrylonitril-butadieen-styreen (ABS). Daarnaast is 3D-printen mogelijk met metalen (titanium, koper, zilver), keramiek, zand en – gewoon omdat het kan – met chocolade en suiker.
3D-printen met zand? Ja, om matrijzen voor metaalgieterijen te maken. Silica wordt daarbij met een (oplosbaar) bindmiddelen, bijvoorbeeld waterglas, tijdens het printen aan elkaar ‘geplakt’.

Wat de inkt cartridges zijn voor het verdienmodel van de fabrikanten van conventionele printers, zijn de haspels met filament voor de fabrikanten van 3D-printers.

Toepassingen
Er bestaan ruwweg twee segmenten. Enerzijds het kleinschalige (home) gebruik, waartoe eindgebruikers rechtstreeks toegang hebben; voor kleine bedrijven, kunstenaars (sieraden) en hobbyisten (modelbouw). Voor deze doelgroep zijn op verschillende plaatsen openbare werkplaatsen, zgn. makerspaces of fablabs, ingericht, zoals FabLab Maastricht.

Anderzijds het professionele segment, waar 3D-printen Additive Manufacturing wordt genoemd. In dit segment gaat het om het vervaardigen van prototypes (daar is het allemaal mee begonnen), medische implantaten, matrijzen, een scala aan onderdelen voor de maakindustrie en het gebruik in de tandheelkunde.

Zie mijn blogpost “Why TEDxMaastricht is a recipe for discovery” van 27 oktober 2014 voor de toepassing van 3D-printen in de architectuur.

Verbeteringen
Verbeteringen bij het 3D-printen worden gezocht in grotere nauwkeurigheden (en daarmee het reduceren van de nabewerking), minder storingen, hogere printsnelheden, de combinatie van verschillende materialen qua eigenschappen en kleuren en in de toevoeging van additieven – en dat alles tegen lagere kosten. Ook wordt gezocht naar een betere vormvastheid.

 Arburg Freeformer

Brightlands en 3D-printen
3D-printen is een van de ontwikkelingen voor Brightlands, zoals je kunt nalezen in mijn blogpost “28 Spraakmakende ontwikkelingen op Brightlands Chemelot Campus” van 12 januari 2015. Onlangs heeft Chemelot Innovation and Learnings Labs (CHILL) op de campus een Arburg Freeformer 3D-printer besteld. Deze industriële 3D-printer wordt gevoed met kunststof granulaat in plaats van filament. CHILL-studenten kunnen zo kennismaken met een professionele 3D-printer en die gebruiken voor het testen van materialen.