3D-printers bieden iedereen de mogelijkheid om zelf, uit het niets, zaken te ontwerpen. Of het nu gaat om decoratieve elementen, opbergdozen, onderdelen voor gezelschapsspelletjes of iets anders: wie een beetje handig is met surfen op het internet of zelf 3D-modellen kan maken, heeft het zo geprint. De mogelijkheden van de technologie gaan echter veel verder dan dat.
3D-printers, zoals we ze vandaag kennen, werden rond 2010 beschikbaar voor consumenten. Vaak wordt gedacht dat dit de eerste echte 3D-printers waren, maar dat is geenszins het geval. De wortels van de technologie lopen tot in 1980. Hideo Kodama, een Japanse onderzoeker, bedacht toen twee nieuwe manieren om prototypes van producten te ontwikkelen. De Japanner ontwikkelde het idee om thermohardende polymeren met UV-licht te beschijnen. Door de blootstelling aan UV-licht hardt het materiaal uit, waardoor complexe 3D-vormen gemaakt kunnen worden. Daardoor kon, voor het eerst, opbouwend gewerkt worden. Hideo Kodama had niet alleen de 3D-printer uitgevonden, maar ook een geheel nieuwe manier van produceren. Tot op dat moment werkten de gekende productietechnieken nog allemaal reductief. Het verschil zit in de manier waarop het eindproduct verkregen wordt. De opbouwende of additieve productietechnieken maken het mogelijk om producten laag per laag op te bouwen. Dit maakt productieprocessen heel wat flexibeler dan hun reductieve evenknie. In dat geval begint het productieproces namelijk bij een grote blok materiaal. Daar worden selectief delen en stukken van weggehaald tot alleen het eindproduct overblijft. Klinkt veelbelovend, maar daar ging het onderzoeksinstituut niet in mee. Kodama’s project werd uiteindelijk beëindigd wegens een gebrek aan interesse.
Stereolithografie
In Japan nam de 3D-printer dus een valse start. Bijna dreigde hetzelfde te gebeuren voor Chuck (‘Charles’) Hull. De Amerikaan uit Colorado werkte voor een klein bedrijf dat duurzame coatings voor tafels ontwikkelde. Die coatings werden verhard door UV-licht te gebruiken, wat Hull meteen op een idee bracht. Maandenlang experimenteerde hij met verschillende soorten plastic, zogenaamde ‘fotopolymeren’ die hard worden bij blootstelling aan UV-licht. Hull noemde zijn techniek ‘stereolithografie’. Hij was niet de eerste die met het principe op de proppen kwam, maar slaagde er wel als eerste in om de techniek ook te doen werken. De printers heten ‘stereolithografieapparaten’, wat afgekort wordt tot ‘SLA’. Tot op de dag van vandaag vormt ze de basis van zogenaamde resin- of harsprinters. In feite gaat het om een grote UV-lichtbak die gevuld is met fotopolymeren. Laag na laag wordt het materiaal belicht, waardoor na verloop van tijd een 3D-vorm uit het bad gehaald kan worden. Hull bemachtigde in 1986 het eerste Amerikaanse patent op zo’n SLA-machine. Kort nadien richtte hij 3D Systems Corporation op, een bedrijf dat later marktleider in 3D-printers zou worden. Vanaf 1988 waren de eerste SLA-printers ook daadwerkelijk te koop, al was er toen nog geen markt voor thuisgebruik. De SLA-1, zoals het apparaat heette, werd vooral gebruikt door bedrijven om snel en relatief goedkoop prototypes te ontwikkelen. Het is bovendien niet de enige afkorting die Charles Hull verzon. Ook het STL-bestandsformaat is een geesteskind van Hull. Wie een 3D-printer heeft, kent de bestanden ongetwijfeld: ze beschrijven laag per laag hoe vormen opgebouwd zijn, en dienen als instructie voor 3D-printers om de vormen te reproduceren.
Met een 3D-printer kan je allerlei accessoires printen, ook voor medisch gebruik.
Printen met lasers
Hideo Kodama en Charles Hull hadden een gelijkaardig idee: polymeren doen uitharden door contact met UV-licht om zo complexe vormen te kunnen ‘bouwen’ . Ook andere uitvinders probeerden in die tijd te printen met behulp van licht, al nam dat vaak andere vormen aan. In plaats van met een UV-lichtbak ging Carl Deckard in 1987 aan de slag met geconcentreerde lichtbundels, beter gekend als lasers. Die liet hij los op verschillende stoffen in poedervorm. Door de kracht van die lichtbundel smeltten de deeltjes samen en creëerde Deckard 3D-vormen uit iets wat een paar seconden eerder nog poeder was. De techniek werd ‘selective laser sintering’ (SLS) genoemd en wordt bijna veertig jaar later nog gebruikt. Voor thuis zal je wel niet snel zo’n poederprinter vinden: de apparaten kosten al gauw enkele tienduizenden euro’s. In het proces van Deckard blijft de basisgrondstof wel altijd dezelfde: steeds gaat het om polymeren die in poedervorm tot een nieuw geheel omgevormd worden. Lasers maken het ook mogelijk om andere materialen te printen, al duurde het tot in 1997 voor dat ook daadwerkelijk gebeurde. Het bedrijf AeroMat pionierde toen een nieuwe ‘laser additive manufacturing’-techniek (LAM). Ook hier is het startpunt een poeder, maar dan van verschillende titaniumlegeringen in plaats van plastic. Door de kracht van de laser zullen de verschillende metalen samensmelten. De techniek werd geperfectioneerd en is vandaag goed voor een breed scala aan toepassingen in onder meer de auto- en luchtvaarindustrie, maar ook in de medische sector. Met andere woorden: motoronderdelen en kunstheupen volgen deels hetzelfde productieproces.
Depositie
Het grote publiek kende 3D-printers echter op een andere manier kennen. Veelal wordt er geprint met ‘filament’, dunne strengen plastic die de ‘inkt’ voor deze printer vormen. De printkop verhit het materiaal, meestal ABS of PLA, en doet het samensmelten met voorgaande lagen. Deze techniek heet ‘fused deposition modeling’ en werd in 1989 gepatenteerd door Scott en Lisa Crump. Zij richtten het bedrijf Stratasys, Inc. op, dat dertig jaar lang als enige FDM-printers op de markt mocht brengen. Anno 2024 werden al deze technieken flink doorontwikkeld. Vandaag zijn de productieprocessen accurater dan ooit tevoren, dankzij experimenten met verschillende materialen, licht in verschillende golflengtes, substraten … Vooral onder de depositieprinters ging de ontwikkeling enorm snel: eerst konden de printers alleen met PLA en ABS werken, maar ondertussen lukt het ook met metaal. Wetenschappers slagen er ondertussen in om organen of delen ervan te 3D-printen, terwijl onderzoekers volop bestuderen hoe ze voedsel kunnen printen.
3D-printen als hobby
De meeste van die technologieën werden jarenlang alleen gebruikt door grote bedrijven, die er nood aan hadden om snel prototypes te kunnen maken. De printers worden er vandaag nog voor gebruikt, al zijn SLA- en FDM-printers inmiddels toegankelijker geworden voor het grote publiek. Daarvoor vallen voornamelijk dr. Adrian Bowyer en zijn RepRap-project voor te danken. De bedoeling van het opensourceproject was om een goedkope ‘rapid prototyping’-machine te maken die goede resultaten leverde. Ook hier gaat het om FDM-printers, waarbij een printkop een materiaal verhit om het daarna af te zetten. Bijzonder aan het RepRap-project was dat meeste printeronderdelen ook geprint moesten kunnen worden. De RepRap-printer van de eerste generatie, Darwin, was in staat om het merendeel van zijn onderdelen ook zelf te maken. Met andere woorden: als je een Darwin-printer kon bemachtigen, kon je meteen je hele vriendenkring van 3D-printers voorzien.
Een model van het Colosseum op je kast? Met een 3D-printer is het geen probleem.
Van 10.000 naar 1.000 euro
In bepaalde kringen, maar lang niet overal, waren de RepRap-printers een succes. Pas in 2009, een jaar na de ontwikkeling van Darwin, komt de populariteit van 3D-printers wat op gang. De belangrijkste katalysator daarvoor is het FDM-patent van Stratasys. Na dertig jaar verviel dat, waardoor de technologie plots gemeengoed werd. De gemiddelde FDM-printer kostte geen 10.000 euro meer, maar was al beschikbaar voor zo’n 1.000 euro. Dat komt ook doordat een groot aantal spelers, die daarvoor vooral in opensourcegemeenschappen en dus gratis aan de printers werkten, hun ontwikkelingen konden en mochten commercialiseren. Die nieuwe spelers en jonge bedrijfjes maakten 3D-printen toegankelijk voor het grote publiek. Een bedrijf als Micro lanceerde een betaalbare printer op crowdsourcingplatform Kickstarter. Makerbot lanceerde dan weer doe-het-zelfkits waarmee mensen hun eigen 3D-printer konden bouwen. De pakketten zaten iets steviger in elkaar dan die van RepRap en waren relatief populair. Datzelfde Makerbot zorgde er bovendien voor dat hobbyisten van over de hele wereld hun designs met elkaar kunnen delen. In 2009 lanceerde het namelijk Thingverse, een van de meest populaire deelplatforms voor 3D-ontwerpen. Inmiddels werd een bedrijf als Makerbot overgenomen door Stratasys, het bedrijf dat lang alleenrecht had op de productie van FDM-printers. Ook vandaag is Stratasys een gekende naam in de wereld van 3D-printen. Andere namen zijn 3D Systems, Formlabs, Desktop Metal, Prusa, Voxel8 en Elegoo. Wie een 3D-printer nodig heeft, komt meestal bij een van deze merken uit. Zo goed als elk merk ging tijdens de ontwikkeling een eigen weg uit, wat ervoor zorgt dat de printers allemaal hun voor- en nadelen en specifieke eigenschappen hebben.
Ontwikkeling
Met de ene printer zal je wat grotere afdrukken kunnen maken dan met de andere, terwijl de andere printer een verwarmd printbed heeft, zodat de afdrukken er makkelijk af kunnen. De ene printer is misschien wat sneller of trager, maar werkt misschien niet met dezelfde materialen als een andere. Kortom: de ontwikkeling van 3D-printers heeft ervoor gezorgd dat er vandaag bijzonder veel keuze is. Een groot deel van die ontwikkelingen gebeurt echter niet bij hobbyisten, maar komen uit de industrie. Steeds meer productieprocessen zijn additief en gebruiken op één of andere manier een 3D-printer. Dat is het geval in de luchtvaartindustrie, waar vervangonderdelen voor vliegtuigen een arm en een been kosten. Niet alleen dat: ze zijn ook nog eens verdomd moeilijk om te maken. Sinds 2018 zitten er op de Airbus A320 dan ook panelen die uit een 3D-printer komen. Die zijn niet alleen makkelijker te vervaardigen, maar wegen ook 15 procent minder. Dat komt de luchtvaartmaatschappijen goed uit: zo besparen ze natuurlijk op brandstof. Ook autofabrikanten kijken in de richting van 3D-printers. Die worden daar niet enkel ingezet voor eindproducten, maar ook om gereedschap te maken. Automakers 3D-printen bijvoorbeeld mallen die later gebruikt worden om eindproducten te maken. Op plekken waar de techniek sterk genoeg is, zit hij ook al in auto’s. Zo gebruikte Ford in 2020 3D-geprinte remonderdelen in de Shelby GT500. Bij Porsche maken ze de zuigers van de motor met een 3D-printer, waardoor de 911 GT2 RS wat lichter gemaakt kan worden. Ook Volkswagens en BMW’s maken gebruik van 3D-printers, bijvoorbeeld voor de ondersteuning van openvouwbare daken.
Met een 3D-printer kan je gemakkelijk schattige figuurtjes printen!
Organisch materiaal
Ook in de medische wereld worden 3D-printers ingezet. Heb je een tand- of gebitsprothese nodig? Dan is de kans groot dat die uit een 3D-printer komt. Ook bij hartoperaties komt tegenwoordig een 3D-printer kijken. Daarmee wordt dan bijvoorbeeld een hartklep geprint. Aanvankelijk gebeurde dat nog met plastic, maar inmiddels zijn er ook printers beschikbaar die organisch materiaal kunnen printen. Dat organisch materiaal kan ook voor andere dingen dienen, zoals voeding. Pastamerk Barilla heeft bijvoorbeeld een project lopen waarbij het pasta’s in allerlei uiteenlopende vormen print. 3D-printers zouden ook moeten helpen om minder vlees en vis te eten: dat zou namelijk, op basis van plantaardige grondstoffen, geprint kunnen worden.
Is 3D-printen de toekomst?
Of die geprinte steaks en zalmfilets voor het grote publiek zijn of eerder door NASA met astronauten naar de ruimte gestuurd worden zal de tijd moeten uitwijzen. Vast staat in ieder geval dat die tijd niet stilstaat, zeker voor 3D-printers. Additieve productieprocessen krijgen steeds meer aandacht. Niet alleen omdat ze goedkoper, sneller en in hoge mate aanpasbaar zijn, maar in veel gevallen ook ecologischer. Op die manier wil 3D-printen het productieproces van de toekomst worden. Het ziet er erg waarschijnlijk uit dat dat op een aantal vlakken gaat lukken. Dat de technologie heel wat toegankelijker is voor hobbyisten en jongeren dan pakweg een CNC-machine, zal daar alleen maar bij helpen.