De snelle technologische ontwikkelingen hebben ervoor gezorgd dat 3D-printen tegenwoordig heel betaalbaar is, waardoor het aantal mogelijkheden zoals het printen van complete huizen en medische implantaten de afgelopen jaren extreem gestegen is, maar wat is er momenteel nu eigenlijk allemaal mogelijk?
3D-printen is een techniek die al decennia lang bestaat, ook wel Additive Manufacturing of Rapid Prototyping wordt genoemd. Met deze technologie worden 3D-objecten gecreëerd door laag voor laag materiaal op elkaar aan te brengen. We zien onder andere mogelijkheden voor het printen van schoenen, juwelen, auto’s, bruggen, complete huizen, maar ook medische implantaten.
Productietechnieken
3D-printen begint met het maken van een ontwerp in programma’s als Rhinoceros, AutoCAD of Solidswork. Door het ontwerp op te slaan als .STL bestand wordt deze opgedeeld in dunne plakjes. Deze plakjes worden door de 3D-printer laag voor laag op elkaar geprint, waardoor er uiteindelijk een 3D-object ontstaat.
Bovenstaande programma’s vereisen wel enige (voor)kennis, maar tegenwoordig zijn er ook steeds meer toegankelijke ontwerpprogramma’s, Autodesk laat kinderen bijvoorbeeld zelf speelgoed ontwerpen via een speciale applicatie. Daarnaast zijn er ook online bibliotheken die vol staan met ontwerpen om direct geprint te worden.
Het ontwerp uitprinten kan daarna via verschillende productietechnieken, vaak afhankelijk van het materiaal.
Fused Deposition Modeling (FDM)
Fused Deposition Modeling maakt gebruik van een verplaatsbare spuitmond. De spuitmond is aangesloten op een lange dunne draad met thermoplastisch materiaal (materiaal dat zacht wordt door verhitting) zoals ABS, PLA of Polycarbonaat. Door de spuitmond constant horizontaal over hetzelfde oppervlakte te bewegen, terwijl het platform na elke laag zakt, wordt er laag voor laag een object opgebouwd.
Stereolithografie (SLG)
Met stereolithografie wordt een laag vloeibare kunststof uitgehard door een verplaatsbare laserstraal. Nadat de eerste laag is bewerkt met de laser, daalt de bak met vloeistof een paar millimeter en wordt de volgende laag vloeibare kunststof toegevoegd, die daarna op de juiste plek weer wordt uitgehard door de laserstraal. De kunststof die het vaakst met SLG wordt gebruikt is het materiaal ABS, waar onder andere blokjes LEGO van gemaakt zijn.
Selective Laser Sintering (SLS)
Bij Selective Laser Sintering wordt dezelfde techniek als bij ‘stereolithografie’ gebruikt. Het verschil is dat, in plaats van een laag kunststof, een laag thermoplastisch poeder laag voor laag wordt uitgehard door een laser. Als eerste wordt er een laag poeder verspreid over het oppervlak, waarna er alleen op de plek van het object poeder wordt uitgehard door de laser. Daarna wordt er weer een laag poeder aangebracht en herhaalt het proces zich. Materiaal dat vaak gebruikt wordt bij SLS is Nylon (in poedervorm).
ZCorp
ZCorp lijkt op de techniek van Selective Laser Sintering, waar ook poeder wordt gebruikt. In tegenstelling tot Selective Laser Sintering worden de lagen niet uitgehard door een laser, maar verlijmd door een bindmiddel en daarna uitgehard in de oven. Keramiek is bijvoorbeeld een materiaal dat wordt geprint door middel van ZCorp.
Polyjet
Polyjet lijkt op sterolithografie, maar inplaats van een laag vloeibare kunststof werkt Polyjet met kleine druppeltjes materiaal. Deze druppeltjes worden door een UV-lamp uitgehard, waardoor de druppeltjes zich aan elkaar hechten en uiteindelijk laag voor laag een 3D-object vormen.
Multi Jet Modeling (MJM)
Multi Jet Modeling werkt ook met kleine druppeltjes, maar in plaats van vloeibare kunststof, werkt MJM met druppels gesmolten was. Hierdoor zijn extreem gedetailleerde objecten te creëren. Dit maakt de objecten echter ook veel breekbaarder dan de andere technieken.
Materialen
De materialen waar 3D-printers mee werken zijn grofweg op te delen in kunststof filamenten (op rol), kunststof pellets (korrels), vloeistoffen en poeders. Filamenten zijn vaak kunststoffen als Nylon, ABS en PLA en worden als lange draad op een rol geleverd. Kunststof pellets zijn vaak gemaakt van hetzelfde materiaal, maar worden dus geleverd in de vorm van korrels.
Naast filamenten en pellets, zijn er ook printers die met vloeistoffen werken. Hars is bijvoorbeeld een materiaal dat vaak in vloeibare vorm wordt geleverd in een soort kleine (handzame) tanks. Daarnaast is er nog materiaal dat wordt geleverd en gebruikt in de vorm van poeder. Dit zijn vaak materialen als nylon, keramiek, metaal of glas.
Nylon
Een van de meest gebruikte materialen tijdens het 3D-printen is Nylon. Nylon is geschikt voor onder andere het maken van verpakkingen, sieraden, maquettes, kleding en medische toepassingen.
Polycarbonaat
Polycarbonaat is een kunststof die tot wel 250 keer sterker is dan glas, waardoor het uitstekend geschikt is voor bewerkingen met frezen, boren, buigen en zagen. Polycarbonaat wordt vaak gebruikt voor vitrines, profielen, beglazing, serredaken en dubbelwandige afscheidingswanden.
Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS)
Acrylonitrile Butadiene Styrene is een kunststof dat gewonnen wordt uit aardolie. In vergelijking met andere kunststoffen heeft ABS een behoorlijk hoog smeltpunt, maar daar staat tegenover dat het wel zeer sterk is. Het is vaatwasserbestendig en heeft een hoge duurzaamheid. ABS wordt bijvoorbeeld gebruikt voor LEGO blokjes, vazen, servies, stoelen en muziekinstrumenten.
Polylactic Acid (PLA) (biologische afbreekbaar)
Polylactic Acid is een van de meest duurzame grondstoffen om te gebruiken tijdens het 3D-printen. PLA wordt gewonnen uit natuurlijke grondstoffen als suiker en maïs. Daardoor is PLA biologisch afbreekbaar. PLA wordt vaak gebruikt voor lichtgewicht toepassingen zoals sieraden, decoratieve prints, modelbouw en speelgoed.
Hout
Steeds vaker wordt ook hout gebruikt als materiaal voor 3D-printen. Hout trekt niet snel krom en is uitstekend te bewerken. Zo kun je het na het printen prima schuren, schilderen en zagen. Hout wordt vaak gebruikt voor bestek, sieraden en speelgoed.
Bamboo
Het bedrijf ColorFabb maakt filamenten gemaakt van 80% afbreekbaar PLA en 20% recyclebare bamboo-vezels. Het materiaal zorgt voor lichte, robuuste en bamboo-achtige uitstraling. Daarnaast zorgt het ervoor dat de ruimte daarna (heerlijk) ruikt als een houtfabriek.
Titanium (kaakimplantaat)
Titanium is een vrij sterk en licht metaal dat bestand is tegen extreme temperatuurschommelingen. Titanium wordt vaak gebruikt voor toepassingen bij vliegtuigen, raketten, implantaten en prothesen. Titanium is namelijk een anti-allergeen en is biologisch inert. Het wordt daarom niet door het menselijk lichaam afgestoten en is niet giftig.
Roestvrijstaal
Roestvrijstaal is een van de goedkoopste metalen die gebruikt kan worden voor 3D-printen. Roestvrijstalen objecten worden vaak gemaakt met roestvrij staalpoeder. Roestvrijstaal is erg sterk en geschikt voor zeer grote producten. Het wordt vaak gebruikt voor functionele en decoratieve modellen, maar is ook geschikt om sieraden van te maken.
Keramiek
Objecten van keramiek worden geprint uit keramisch poeder gemaakt van aluminiumoxide en siliciumdioxide. De objecten worden geprint door middel van een bindmiddel. De objecten worden afgewerkt met porselein en siliciumdioxide en uitgehard in de oven. Hierna is het materiaal hittebestendig tot 600 graden celcius.
Brons
Brons is een betaalbaar en sterk materiaal dat in poedervorm wordt gebruikt voor 3D-printen. Door middel van een bindmiddel wordt er een object gecreëerd dat daarna moet uitharden in de oven. Het bindmiddel in het product moet worden vervangen door het laten intrekken van brons. Hierdoor ontstaat een massief bronzen product.
Goud, Zilver, messing
Goud, zilver en messing worden geprint door middel van de ‘verloren-was-methode’. Hierbij wordt er eerst een wassen-model van het object geprint, waarna deze in gips wordt geplaatst. Het wassen-model in gips wordt daarna in de oven geplaatst waardoor de was smelt. Hierdoor blijft een hol gipsmodel over. Hierin wordt daarna het vloeibare goud, zilver of messing gegoten, dat daarna uithard waarna de gipsen mal verwijderd kan worden.
Glas
Onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology zijn er enkele maanden geleden in geslaagd om glas te printen. Dit gebeurt op dezelfde manier als het printen met plastic. Er wordt gebruikt gemaakt van twee soorten printkamers waarin de één werkt als een soort cartridge en structuren samensmelt. In de ‘cartridge’ wordt de temperatuur verhoogd tot boven de duizend graden Celsius, waarna het vloeibare glas vervolgens via een hittebestendige printkop geprint wordt.
Eetbare ingrediënten
3D-printers maken het tegenwoordig mogelijk om eetbare ingrediënten te printen zoals kauwgom, pannenkoeken, pasta, chocola en snoep. Onderzoeksinstituut TNO deed daar een schepje bovenop en heeft een 3D-printer ontwikkeld voor ouderen met kauw- en slikproblemen. De 3D-printer geeft gepureerd voedsel de vorm van het oude product terug, waardoor het er voor ouderen weer aantrekkelijk en smaakvol uitziet, terwijl de structuur zacht genoeg blijft. In de toekomst zien we mogelijkheden waarbij we, onderweg naar huis, de printer opdracht geven om alvast te beginnen met het avondeten.
Menselijk weefsel
De laatste en misschien wel meest interessante ontwikkeling op het gebied van printbare materialen is het printen van menselijk weefsel. Onderzoekers zijn erin geslaagd om kloppende hartcellen te printen, er worden organen geprint door middel van biologische inkt en het eerste medicijn dat is geprint door een 3D-printer is goedgekeurd door het Amerikaanse Food and Drugs Administration.