In tegenstelling tot een gewone printer die tekst op een tweedimensionaal blad papier drukt, kan een 3D printer driedimensionale voorwerpen laag na laag opbouwen. De 3D printer gebruikt daarvoor digitale bouwtekeningen die zijn opgeslagen in een computer. Oorspronkelijk werden 3D printers vooral ingezet om snel prototypes van voorwerpen te produceren voor ingenieurs en ontwerpers. Tegenwoordig past men 3D printers zowel in de industrie als voor thuisgebruik toe.
Ontstaansgeschiedenis van de 3D printer
Reeds in het begin van de jaren tachtig van de vorige eeuw werkte men aan de ontwikkeling van 3D printers. In het begintijdperk was het vooral de bedoeling om snel een prototype van een object te kunnen produceren. Men noemde de toegepaste techniek daarom ‘Rapid prototyping’. Verschillende methoden werden onderzocht en aangewend. Zo gebruikte men bijvoorbeeld laserstralen om materialen te modelleren, gesmolten plastic waarmee men voorwerpen in dunne laagjes opbouwde, en materialen in poedervorm die door een laser werden uitgehard. De eerste commercieel beschikbare 3D printers kwamen in het begin van de jaren negentig op de markt. Het Massachusetts Institute of Technology patenteerde in 1993 de technologie die voor het eerst ‘driedimensionaal printen’ werd genoemd. De onderzoekers van het MIT probeerden om de bestaande inkjettechnologie van 2D inkjetprinters toe te passen in een 3D proces. Meerdere producenten brachten in de jaren negentig 3D printers op de markt, waarmee het mogelijk was om prototypes van metaal, plastic, keramiek en andere materialen te vervaardigen. De eerste kleuren 3D printer zag in 2006 het levenslicht. In 2010 toonde producent StrataSys de eerste auto, waarvan alle onderdelen met behulp van 3D printing waren gemaakt, aan het publiek. Sinds 2011 gaat de ontwikkeling van 3D printers razendsnel. Tegenwoordig wordt geëxperimenteerd met het 3D printen van kledij, voedsel, stamcellen en menselijke organen. Bovendien vind je op de markt goedkope modellen van 3D printers, waarmee je ook thuis 3D voorwerpen kunt creëren.
Gebruikte materialen en technieken in 3D printers
Wat men bij een gewone 2D printer ‘inkt’ noemt, noemt men bij een 3D printer filament. Het basisprincipe van 3D printen is het laag na laag opbouwen van een voorwerp, op basis van een digitale bouwtekening. 3D printers voor thuisgebruik en voor zelfbouw passen vooral een thermoplastic toe als 3D filament. Een thermoplastic is een kunststof die zacht wordt bij verhitting. Veel gebruikte thermoplastics zijn PLA (polymelkzuur) en ABS (Acrylonitril-butadieen-styreen). Dit 3D printer filament wordt verkocht in de vorm van draad die gewikkeld is op spoelen. In de industrie en door ontwikkelaars worden nog andere technieken en materialen aangewend. Men onderscheidt onder meer volgende processen:
- Laminated Object Manufacturing: hierbij wordt de grondstof aangeleverd als folie. De machine legt een nieuwe laag folie op de onderliggende lagen (lamineren), waarna de gewenste vorm heel precies met een laserstraal wordt uitgesneden. Daarna is de volgende laag weer aan de beurt. Dit proces herhaalt zich tot het gewenste driedimensionale object is gecreëerd. Met deze techniek is het mogelijk om papieren modellen te maken.
- Stereolithografie: bij dit proces past men een laserstraal toe om een vloeibare kunsthars laag na laag uit te harden. Het te produceren voorwerp wordt vervaardigd in een bad waarin zich vloeibare hars bevindt. Met een laser wordt telkens een dunne laag van de kunsthars uitgehard, waarna het voorwerp dieper in het bad zakt en de volgende laag voor uitharding aan de beurt is.
- Selective Laser Sintering en Direct Metal Sintering: bij dit proces is het materiaal in poedervorm aanwezig. Door het selectief verhitten van een gedeelte van een dunne poederlaag door een laser, wordt laag na laag een voorwerp vervaardigd. Met deze techniek is het mogelijk om voorwerpen uit metaal en kunststof te produceren. Zand in poedervorm wordt als grondstof toegepast om glazen objecten te maken. Het proces wordt niet alleen gebruikt om snel een prototype te vervaardigen, maar ook om industriële eindproducten af te leveren.
3D printing in de medische wereld
De medische wereld maakt dankbaar gebruik van 3D printers om bijvoorbeeld prothesen te maken. De prothese kan op maat gecreëerd worden op basis van de CT-scans die van de betrokken lichaamsdelen werden gemaakt. Het eindresultaat is een exact passende prothese die heel snel kan worden geproduceerd. Deze techniek wordt meer en meer aangewend bij orthopedische ingrepen, maar ook kaakchirurgen en tandartsen passen 3D-geprinte implantaten toe. Een volgende stap in de medische technologie is het 3D printen van organen. Het is de bedoeling dat zogenoemde 3D bioprinters menselijke cellen en biopapier als materiaal gaan gebruiken. Hiermee zou het in de toekomst mogelijk worden om organen, zoals de lever en het hart, in 3D te printen. Omdat de eigen lichaamscellen van de patiënt worden toegepast, zouden afstotingsverschijnselen na transplantatie niet meer optreden. Bovendien hoeft de patiënt niet meer op een donor te wachten.
Toepassingen voor thuisgebruik
Dankzij de goedkope 3D printers die op de markt verschijnen, is het ook voor particulieren mogelijk geworden om een 3D printer te kopen. Bovendien bestaan er tegenwoordig ook 3D pennen waarmee je een 3D voorwerp kunt creëren.
- Vele van de 3D printers voor particulier gebruik worden geleverd als een zelfbouwpakket. Om thuis een voorwerp te printen, moet je alleen nog een geschikte bouwtekening kopen en deze invoeren in je computer. Bouwtekeningen van diverse ontwerpen worden overigens ook gratis aangeboden op het internet. De digitale bouwtekening waarmee een 3D printer wordt aangestuurd, bevindt zich in een zogenoemd STL-bestand. Een STL-bestand beschrijft de vorm van een voorwerp met behulp van driehoeken. Als particulier kun je ook een object dat je nodig hebt, zelf ontwerpen en in 3D uitprinten. De designsoftware die je hiervoor nodig hebt, is vaak online beschikbaar. Bekende voorbeelden van gratis 3D ontwerpprogramma’s zijn Google Sketchup en DrawPlus Starter. Vele andere gratis programma’s en apps zijn te vinden op het web. Alvorens je tot een 3D printer kopen besluit, ga je het beste eerst na welk soort voorwerpen je ermee wilt printen. Bedenk dat de maximale hoogte van een voorwerp bij een 3D printer voor thuisgebruik, beperkt is tot zo’n 20 centimeter. Vraag je ook af welk filament je het beste toepast. Met ABS kun je harde en stevige voorwerpen maken. Je moet dan wel de ruimte waarin de printer staat, goed ventileren. Het gebruik van PLA is beter voor het milieu, maar voorwerpen uit PLA zijn niet zo stevig als deze uit ABS. De prijzen van ABS en PLA filament zijn ongeveer gelijk.
- Met een 3D printer pen kun je ook een 3D voorwerp maken. Een 3D printer pen moet je aansluiten op het stopcontact zodat deze opwarmt. Je voedt de pen met ABS of PLA filament. Door op een knop van de 3D pen te drukken, kun je met de hand allerlei voorwerpen in 3D ‘tekenen’. Dit kan gaan van het schrijven van eenvoudige woordjes in 3D tot het maken van complexe figuren. Een 3D pen kopen is natuurlijk heel wat minder duur dan een 3D printer aanschaffen. In diverse webshops kun je tegenwoordig kiezen uit een ruim aanbod aan pennen en voor een interessante prijs een 3D pen kopen.
De wereld van 3D printing is nog in volle evolutie. Over tien jaar zullen nog veel meer toepassingsmogelijkheden beschikbaar zijn.