Wat is 3D-printen?

Laten we met een voorzichtige definitie starten: “3D-printen is een productietechniek waarbij men een digitaal bestand omzet naar een tastbaar driedimensionaal product door het uit lagen op te bouwen.” Klinkt nog behoorlijk abstract? Dat heeft ermee te maken dat er in de loop van 30 jaar heel wat diverse technologieën ontwikkeld werden, die allemaal onder de noemer 3D-printen thuishoren. Daarover straks meer. Onderstaande video legt kort het basisprincipe uit. Verhelderend.

Terminologie, iemand?

Misschien spreekt het synoniem additive manufacturing (AM) meer tot de verbeelding? Een begrip dat sinds 2000 aan populariteit wint. In tegenstelling tot andere bekende productiemethodes waarbij zaken weggesneden (denk aan laser cutting) of gegoten worden, wordt bij 3D printen iets opgebouwd, iets toegevoegd. 

Als we nog even bij de terminologie blijven hangen, dan botsen we regelmatig op ‘rapid prototyping’ als synoniem voor 3D printen. Dat begrip verwijst naar het eerste succesvolle toepassingsgebied van 3D printen: het maken van eerste prototypes van producten vooraleer tot werkelijke productie over te gaan. Vandaag doet het wat gedateerd aan omdat 3D printen intussen veel breder wordt toegepast.

3D-printen van een schoen
 

Van gigagroot tot minuscuul klein

Wist je dat het eerste volledig ge-3D-printe huis in Vlaanderen staat? Die  demowoning is negentig vierkante meter groot, acht meter hoog en bestaat uit twee verdiepingen. Je vindt ze op het terrein van Kamp C in Westerlo, het provinciaal Centrum voor Duurzaamheid en Innovatie in de bouw. Uniek is dat één vaststaande 3D-betonprinter het huis in één geheel geprint heeft.

Maar ook in het minuscuul kleine bewijst 3D printing haar mogelijkheden. Zo zijn wetenschappers van de universiteit van Leiden erin geslaagd om zogenaamde microzwemmers uit platinum te printen. Microzwemmers zijn hele kleine partikeltjes (0,015 mm) die autonoom door een vloeistof bewegen op basis van een chemische reactie. De platinum coating reageert op de waterperoxide-oplossing waarin ze zich bevinden en stuwt de deeltjes zo verder doorheen de vloeistof. Die kennis is nuttig omdat we op die manier specifieke medicijnen doorheen ons lichaam zouden kunnen transporteren om ze op de juiste locatie los te laten. En het 3D printen maakt het mogelijk om zo’n microzwemmer elke willekeurige vorm te geven, zelfs die van een héle kleine Star Trek Voyager.

 

 

Een heel klein beetje geschiedenis

De pioniersjaren (1981 – 1999)

Hoewel het concept al uit de jaren 50 dateert, worden de eerste schuchtere stappen pas in de jaren 80 gezet. In 1981 noteren we een eerste – niet gevalideerde - patent in Japan, en zien we vervolgens een aarzelende aanzet in Frankrijk. We moeten echter nog tot 1986 wachten om de echte geboorte van 3D printing in te luiden. Met de registratie van het patent voor stereolithografie (SLA) van de Amerikaan Chuck Hull kan het snel prototypen beginnen. Met behulp van ultraviolet licht wordt hars uitgehard waardoor er een 3D object ontstaat. Zijn bedrijf 3D Systems zal in 1992 de eerste SLA machine op de markt brengen. Datzelfde jaar neemt 3D Systems ook DTM Inc. over, een speler met een andere veelbelovende 3D printtechnologie: Selective Laser Sintering (SLS) waarbij niet een vloeistof maar een poeder met behulp van laserlicht aan elkaar gesmolten wordt.
De printers zijn dan nog duur en de resultaten niet altijd even bevredigend, maar deze nieuwe technologie wordt meteen omarmd door bijvoorbeeld de automobielindustrie, precies omdat het maken van eerste prototypes zo snel gaat.

Het groeit alle richtingen uit (2000 – 2010)

In de daarop volgende tien jaar wint 3D printen aan geloofwaardigheid. De printers worden goedkoper, hun precisie verbetert en de materialen waarmee je kan printen breiden uit (glas, keramiek, …). Vooral in de medische sector worden belangwekkende doorbraken gerealiseerd. Daar slagen ze er in 2000 al in om een nier te 3D-printen (het zal wel nog tot 2013 duren voor ze succesvol in een mens ingeplant worden). En ook de vooruitgang op het vlak van ge-3D-printe protheses is indrukwekkend. Het wijst vooruit naar een van de sterktes van additive manufacturing: mass customisation. Waarom bijvoorbeeld nog massaal gestandaardiseerde hoorapparaten produceren, als je ze net zo goed helemaal op maat gemaakt kan 3D-printen?

Vanaf 2006 ontstaat er ook een heuse makersgemeenschap rond 3D printen. De snelle opkomst van het internet is daar niet vreemd aan. Via open source delen ze hun kennis met elkaar, verbeteren ze elkaars ideeën en voorstellen. De uitdaging waarmee ze van start gaan is behoorlijk meta: je eigen 3D printer 3D-printen. Het resultaat: Reprap, een zichzelf replicerende 3D printer waarrond zich een behoorlijk enthousiaste groep techjongeren verzamelt.

Maturiteit (2010 – 2020)

Bekijk dit filmpje uit 2015 waarin de eerste 3D printer voor huis-, tuin- en keukengebruik wordt besproken en gedemonstreerd. We staan dan aan het begin van de mass customization van het 3D printen zelf. De printers worden betaalbaar, de softwarepakketten om jouw design in een object om te toveren zijn gesofisticeerd. Je kan al eens een 3D printer onder de kerstboom vinden. Daarbij wint ook het duurzaamheidsargument aan kracht: waarom nog T-shirts produceren in lageloonlanden en ze dan – CO2-onvriendelijk - de hele wereld over laten transporteren? Wanneer je ze net zo goed zelf zou kunnen 3D printen en dat zelfs met bio-afbreekbare materialen. De mogelijkheden zijn er. De vraag blijft of we – zoals in dat DeWereldDraaitDoor-filmpje wordt gesuggereerd – aan de vooravond van een nieuwe industriële revolutie staan.

 

Duurzaamheid, iemand?

Wat dacht je ervan om te 3D-printen met mosselschelpen? Eens je ze verorberd hebt, gaan ze toch gewoon bij het afval? Niet als het van Marita Sauerwein, promovendus aan TU Delft, afhangt.

Het hele concept van ‘Think global, make local’ wint trouwens aan impact. Waarom nog reserve-onderdelen over de hele wereld transporteren, als je ze lokaal kan printen?

 

Design > grondstof > printen > afwerken

Je doet het dagelijks zonder erbij na te denken: je schrijft een tekst, je maakt een excelbestand op, je werkt een powerpoint-presentatie uit en vervolgens geef je het eenvoudige commando ‘print’. Een paar seconden later rollen de pagina’s uit je printer. In essentie is 3D printen even eenvoudig: je creëert een digitaal bestand, je stuurt het naar de printer en die bouwt jouw design op.
Wat je dus – heel eenvoudig gezegd - nodig hebt is:

  • een softwarepakket. De software is in dit geval niet Word of Excel, maar een 3D-tekenprogramma waarvan er intussen heel wat op de markt zijn.
  • grondstoffen waarmee je kan printen: de inkt uit je inktjet printer kan allerlei vormen aannemen: van (bio)plastics, over verschillende metaalsoorten tot gips, goud, keramiek, hout, titanium, ABS, titanium, zand, polyester, epoxy, glas en carbon. Er zijn intussen 3D printers op de markt die een combinatie van verschillende materialen toelaten.
  • een 3D printer die in tegenstelling tot je gewone printer niet op een blad papier schrijft, maar zowel in de lengte, de breedte als de hoogte print.

Ben jij een ‘fabber’? 

Met al die keuzemogelijkheden is wel wat kennis en expertise vereist. Zowel op het vlak van design als qua technieken en materialen. Eens je je daarin verdiept hebt, zijn de toepassingen onbegrensd. Van scheidsrechterfluitjes en plastic bekers, over stoelen of medische implantaten tot juwelen of reservesleutels. Intussen behoren zelfs voedsel en kleding tot de mogelijkheden. 3D printers staan daarom internationaal bekend als ‘fabbers’, een afleiding van het Engelse woord fabricator.

3Dprintkop

Mogelijkheden

Welke meerwaarde biedt additive manufacturing ten opzichte van klassieke productiemethodes? Bij het kenniscentrum Sirris weten ze daar alles over. In een handige tekst zetten ze uiteen waar de mogelijkheden liggen. De ‘differentiators’ zijn dat er nauwelijks beperkingen zijn qua design; dat je behalve de 3D printer zelf nauwelijks tools nodig hebt; dat er weinig nabewerking nodig is en dat de conversie van design naar eindproduct relatief snel is.

Op basis van die differentiators definiëren ze vervolgens de belangrijkste ‘drivers’ van de additive manufacturing-industrie: 

  1. het (snel) produceren van prototypes en kleine series steekt er met kop en schouders bovenuit; 
  2. ook het lokaal produceren van globaal gegenereerde designs is zondermeer een sterke troef; 
  3. 'mass customisation' is een derde driver die vooral in de medische sector omarmd wordt; 
  4. ook kan de printtechniek en de materiaalkeuze een verschil maken; denk dan aan lichtere maar sterkere onderdelen in de luchtvaart en ruimte-industrie;
  5. geïntegreerd werken ten slotte biedt ook toegevoegde waarde: zonder lasnaden is een product een stuk solider.

Conclusie: als jouw product een aantal van deze drivers weet te combineren, dan is 3D printing meer dan het overwegen waard.

3D-print enquête bevestigt industriële toepassing en groei

In oktober en november 2020 organiseerde Flam3D een enquête bij voornamelijk maakbedrijven rond de toepassing van 3D-printing (Additive Manufacturing). Die informatie wil de sectororganisatie vooral inzetten om ook andere bedrijven te overtuigen om de technologie te overwegen om de competitiviteit van de Vlaamse economie te versterken. 

Een eerste vaststelling is alvast dat 3D-printing als technologie – of beter: set aan technologieën – duidelijk aan bekendheid wint. De organisatie was verbaasd dat heel wat bedrijven al bekend zijn met termen als SLS, stereolithografie of FFF. Bovendien kan een meerderheid van de respondenten van minstens enkele van die technologieën een aantal voor -en nadelen benoemen.

81% van de bevraagde bedrijven wil in de komende 5 jaar “iets” investeren in 3D-printing.
Kris Binon
Directeur Flam3D

Een tweede dataset geeft aan dat heel wat bedrijven verder willen investeren in de technologie. Van 83 respondenten die samen nu al 550 printers hebben staan, wil 65% nog printers bijkopen. Ook een meerderheid van de bedrijven die nu nog niet printen, overweegt te investeren in de technologie – via uitbesteding of de aankoop van eigen printers. 
81% van de bedrijven wil “iets” investeren in 3D-printing, in de komende 5 jaar – zij het in hardware, software, knowhow of human resources. In onderstaand overzicht zitten zowel nieuwkomers als bedrijven die in het verleden al (stevig) in de technologie hebben geïnvesteerd: 

Grafiek investeringen verleden / toekomst
Grafiek investeringen verleden / toekomst

Een derde belangrijke vaststelling is wellicht de verschuiving in het gebruik van de technologie. Het was al langer bekend dat de verschuiving van prototyping-technologie naar productietechnologie was ingezet. Maar uit de cijfers van de enquête blijkt dat meer dan de helft van wie 3D-printing toepast (intern of extern), dat ook doet met de bedoeling om effectief eindproducten te produceren – in kleine of grotere aantallen. Zo geeft 24% van de gebruikers aan dat ze de technologie inzetten voor seriegroottes van 100 tot 1.000 stuks, en 4% spreekt zelfs van series groter dan 1.000 stuks.

Waarvoor passen bedrijven 3D-printen toe?
Waarvoor passen bedrijven 3D-printen toe?

De data bevestigt daarmee het aanvoelen van de organisatie: 3D-printing is niet langer een niche-technologie, en meer en meer bedrijven vinden zinvolle toepassingen die zorgen voor bijkomende toegevoegde waarde, competitiviteit en/of kostenbesparing.