Wat print jij straks in 3D?

Iedere StarTrek-kijker kent de 'replicator' wel. Een apparaat dat vrijwel alles kan produceren, van een kop met warme koffie tot en met een zonnebril. Deze sciencefiction lijkt langzaam werkelijkheid te worden sinds de opmars van de 3D-printer. Deze kan immers ook 'alles' maken, van een schroefje tot een kunstvoorwerp met bewegende elementen. De meest gebruikte grondstof voor thuisgebruik is 'filament', dat verkrijgbaar is in praktisch alle kleuren tot en met zilver en goud aan toe. Lees ook: 18 coole voorwerpen gemaakt met een 3D printer.

Meestal zijn geprinte objecten gemaakt met een enkele kleur, maar printers met meerdere printkoppen kunnen kleuren combineren in één product. Het printen is niet beperkt tot plastic, ook metaal, glas en hars kunnen in iedere vorm worden afgedrukt. Dit vereist wel een ander type 3D-printer, en deze apparaten zijn voor thuisgebruik nog niet betaalbaar.

Het is zeer denkbaar dat we in de nabije toekomst betaalbare printers krijgen met die met meerdere grondstoffen tegelijkertijd overweg kunnen en daardoor zeer complexe producten kunnen produceren.

Voor sommige producten hoe je de deur niet meer uit, je kunt ze zelf printen! (foto: Makerbot)

Bottlenecks

De grote doorbraak voor 3D-printen voor thuisgebruik moet nog komen. Hoewel het bouwmateriaal filament met een prijs van circa 25 euro per halve kilo heel betaalbaar is, zijn de printers zelf nog relatief duur en lastig te bedienen en onderhouden door mensen zonder technische kennis. Ook is de kwaliteit van veel goedkopere printers nog onder de maat, wat te zien is aan de mate van detail. Een 3D-printer produceert laagjes bovenop andere laagjes en die grove structuur is vaak ook zichtbaar.

Hoewel er ook filamentprinters bestaan met een hoge mate van detail, produceren andere materialen zoals hars en nylonpoeder veel mooiere resultaten. Maar dergelijke printers zijn nog erg duur. Een andere belangrijke bottleneck is de snelheid. Het printen van een object duurt, afhankelijk van de omvang, vele uren. Het is dus niet zo dat je even snel een print kunt maken als je een schroefje nodig hebt. En het voorwerk is eveneens een tijdrovende klus. Voordat je kunt printen, moet je een 3D-model hebben: een digitaal bestand dat je kunt printen. Zo'n model kun je (al dan niet tegen betaling) downloaden of zelf maken. Het aanbod van kant-en-klare 3D-objecten groeit echter snel, dus het is denkbaar dat de digitale bestanden van vrijwel alle printbare producten op een gegeven moment verkrijgbaar zijn, onder andere bij www.shapeways.com.

Impact

Een 3D-printer in ieder huishouden is nog ver weg. Het is aannemelijk dat de grootste impact van deze ontwikkeling zich in het bedrijfsleven zal afspelen. Buiten het zicht, maar wel in het voordeel van de consument. Het vermoeden is dat massaproductie van relatief eenvoudige producten gedeeltelijk zal overgaan naar productie via (industriële) printers. Klassieke massaproductie waarbij producten als smartphone-hoesje, bril of lensdop geproduceerd worden met een mal zal afnemen. Dit zal vaker gedaan worden met een lokaal printing-on-demand-systeem. Winkels en andere bedrijven zullen hierdoor minder geld kwijt zijn aan transportkosten en hoeven ook minder grote voorraden aan te houden, wat niet alleen geld maar ook risico's scheelt. Dat geldt weer niet voor producten als spijkers en schroeven, want die worden in zulke grote hoeveelheden gebruikt dat massaproductie goedkoper is.

Futuroloog en trendwatcher Tony Bosma van Extend Limits verwacht dat 3D-printen een vergaande impact gaat hebben op hoe we produceren, consumeren en distribueren. "3D-printing zal de kosten van productie verder reduceren en de tijdsduur doen afnemen. Distributie zal veranderen, want in hoeverre is het nog nodig om producten te vervoeren als je ze thuis of bij je in de buurt kunt uitprinten? Misschien het voornaamste bijeffect van 3D-printing is dat onze menselijke productie, distributie en het consumptieproces veel duurzamer wordt."

Richard van den Brink is product manager bij Encis in Hoorn dat zich naast ICT-diensten ook intensief bezighoudt met 3D-printing: met workshops, in het onderwijs en het printen van producten voor particulieren en bedrijven. Hij ziet een grote interesse vanuit de consumenten en het bedrijfsleven voor 3D-printen. "Wat bijzonder is, is dat de luchtvaartsector en medische sector voorop lopen en de kar trekken. Dat is zeer hoopgevend, want dit zijn twee conservatieve industriesectoren waarin zeer hoge eisen aan kwaliteit en reproduceerbaarheid worden gesteld. Alle spelers in deze sectoren hebben in hun plannen voor de komende vijf jaar het printen van 3D-modellen opgenomen. General Electric wil 3,5 miljard dollar investeren in deze vorm van 'additive manufacturing', in het Boeing Dreamliner-vliegtuig zitten al 160 onderdelen die 3D-geprint zijn en Mercedes Benz heeft aangegeven in 2017 de dashboards van de duurdere modellen te gaan printen."

Personalisatie

Omdat een product voor een bepaalde klant wordt geproduceerd, kan het meteen gepersonaliseerd worden. Bijvoorbeeld met de inscriptie van een naam, het gebruik van een andere kleur of een iets afwijkende vorm. Vrijwel iedereen prefereert een persoonlijk in plaats van een universeel product, dus het is de verwachting dat personalisatie van producten een enorme vlucht gaat nemen.

Wanneer één bedrijf ermee begint, zal de concurrentie niet willen achterblijven. Denk bijvoorbeeld aan een smartwatch, telefoon of laptop waarbij het materiaal in de kleur en vorm is die jij wenst, én voorzien is van een inscriptie met je naam en e-mailadres (wat diefstal tegen zal gaan). Verder is het aannemelijk dat brillen, schoenen en kleding op maat zullen worden geproduceerd. Ook dat scheelt het aanhouden van voorraden en voor de consument de irritatie dat zijn of haar schoenmaat net niet op voorraad is. Een schoen kan bovendien niet alleen afgestemd worden op de lengte van een voet, maar ook op de breedte en exacte vorm. En hetzelfde geldt voor andere maatproducten zoals een zonnebril of gehoorapparaat.

Economische gevolgen

3D-printing zou weleens grote economische gevolgen kunnen hebben. Momenteel zijn Aziatische landen als China, India, Taiwan en Hong Kong de productiehuizen van de wereld. Het arbeidsloon ligt daar laag, dus is massaproductie relatief goedkoop. Omdat arbeid zo goedkoop is, worden mensen nog steeds massaal ingezet voor productie en assemblage in plaats van machines. Een nieuw product vereist immers ook nieuwe machines, wat erg kostbaar is en niet snel geregeld kan worden, terwijl een groep mensen makkelijker kan overstappen op een nieuw productieproces.

Het is goed denkbaar dat 3D-printing een nieuwe automatiseringsgolf zal veroorzaken. Een 3D-printer is immers flexibel en kan direct omschakelen naar een ander productieproces. Enerzijds zal het de massaproductie van simpele objecten doen afnemen en anderzijds gaan machines steeds meer de positie van mensen innemen. Omdat de materiaalkosten in China niet per definitie goedkoper zijn dan hier, zouden producten net zo goed lokaal geproduceerd kunnen worden. Tegelijkertijd vormt dit ook een bedreiging voor laaggeschoolde werknemers in ons eigen land vanwege dezelfde automatiseringsslag. Maar het biedt dit ook kansen: je kunt relatief eenvoudig zelf een product produceren en op de markt brengen en ontwerpers van 3D-bestanden kun hun ideeën makkelijk verkopen.

Voedsel

3D-printen is niet alleen voorbehouden tot plastic, glas en metaal, ook het printen van voedsel zal een grote vlucht te gaan nemen. De eerste 3D-geprinte pizza, bestaande uit deeg, ketchup en kaas, is al geprint en de eerste printers voor de consumentenmarkt zijn al aangekondigd. In feite krijg je als thuisgebruiker met een voedselprinter de beschikking over een professionele productiemachine zoals ze ook in de industrie gebruikt worden, maar dan met de omvang van een magnetron. Een pizza printen ligt niet het meest voor de hand omdat de meerwaarde beperkt is en het printen relatief veel tijd kost, maar voor het maken van delicatessen kan het een uitkomst zijn. Denk bijvoorbeeld aan bonbons met verschillende kleuren en vormen, maar ook koekjes en suikergoed.

caption=" De voedselprinter van TNO. (foto: TNO)"]

Het Nederlandse TNO is al jaren bezig met het printen van voedsel en ook topkoks zijn enthousiast over de mogelijkheden. Ook ruimtevaartorganisatie NASA is geïnteresseerd, want met een 3D-printer kan het voedsel op maat maken, dat alle benodigde vitaminen en mineralen bevat. En geprint voedsel biedt ook voordelen voor ouderen of zieken die geen vast voedsel mogen eten. Denk bijvoorbeeld aan een wortel die eerst gepureerd wordt en vervolgens weer geprint in wortelvorm.

De hardheid, kleur, grootte, vorm en het aantal calorieën en toegevoegde vitaminen kunnen helemaal gepersonaliseerd worden. De voedselprinters die momenteel zijn aangekondigd, zijn onder andere de 'Foodini', die pizza, cake, pasta en zelfs hamburgers kan printen, en de 'Moleculaire' van Electrolux. Op de CES in januari 2015 werd de eerste voedselprinter onder de 2000 dollar aangekondigd, van het bedrijf XYZPrinting. Deze eerste generatie kan overigens alleen voedsel printen, waarna je het gerecht nog zelf moet koken of bakken. Het is de verwachting dat voedselprinters in de toekomst deze taak ook uit handen zullen nemen en een kant-en-klaargerecht zullen afleveren.

Een daadwerkelijk 3D-geprinte pizza. (foto: Foodini)

Huizen printen

3D-printers worden ook al ingezet om huizen te bouwen. Zo'n printer bestaat uit een reusachtig frame op een railsysteem met een spuitmond aan een portaalkraan. De printer kan laag voor laag muren printen op basis van een computermodel. Het gebruikte materiaal is een mengsel van cement, glasvezel en zand. De muren zijn hol, maar bevatten een zigzagstructuur voor de versteviging. Tijdens het printen wordt er rekening gehouden met leidingen voor elektra, water en verwarming en stopcontacten. Leidingen en isolatiemateriaal worden momenteel nog handmatig toegevoegd, maar het is denkbaar dat deze processen ook geautomatiseerd worden. Het Chinese bedrijf WinSun Decorations is in staat om op deze manier tien huizen per 24 uur te printen, met slechts 5000 euro per huis aan materiaalkosten. Logischerwijs ogen de huizen wel wat simpel, maar desondanks is deze methode een interessante oplossing voor Chinese vraagstukken zoals woningnood en de modernisatie van oude huizen.

In Amsterdam-Noord moet een 3D-geprint grachtenpand verrijzen. (foto: DUS archtects)

In de VS is het bedrijf Contour Crafting met hetzelfde idee aan de slag gegaan en ziet mogelijkheden voor de bouw van huizen voor mensen met een laag inkomen en in noodsituaties waarbij er snel huisvesting nodig is. Maar men sluit niet uit dat dit de methode is waarop in de toekomst huizen gebouwd kunnen worden. Het is snel, goedkoop en zeer efficiënt. Ook in Nederland zijn er concrete plannen. Zo is het bedrijf DUS Architects bezig met een 3D-ontwerp van een grachtenpand in Amsterdam-Noord. Hiervoor worden recyclebare materialen gebruikt. In tegenstelling tot de andere voorbeelden zou het hier gaan om een soort skeletbouw, waarbij geprinte panelen worden samengevoegd. Het interessante aan het printen van huizen is dat er bijzonder veel maatwerk mogelijk is, ook bij huizen die er in eerste instantie hetzelfde uitzien.

Voor sommige producten hoe je de deur niet meer uit, je kunt ze zelf printen! (foto: Makerbot)

Een deel van een schedel, geprint met een 3D-printer. (foto: Oxpekk)

Gezondheidszorg

De 3D-printer zorgt in verschillende branches voor een revolutie, zeker in de gezondheidszorg. Daar is 'personalisatie' immers een gegeven. Heb je op dit moment een kunstknie nodig, dan wordt er een zestal basisontwerpen gebruikt die nog moeten worden geslepen om alles passend te krijgen. Met behulp van 3D-printers kunnen vervangende botten worden gemaakt op basis van de exacte maat en omvang.

En dat is ook mogelijk voor andere protheses, zoals een beschadigde schedel, heup of tanden. Net als in de bouw, ontstaan er ook nieuwe mixen van materialen, zoals een hybride materiaal op basis van zink, silicium en calcium, dat net zo sterk en flexibel is als menselijk botweefsel. Afgelopen jaar werd een schedelprothese gemaakt met een 3D-printer, en succesvol ingebracht bij een 22-jarige patiënt in het UMC Utrecht.

Een prothese, gemaakt met behulp van een 3D-printer. (foto: Makerbot)

Huidcellen en organen printen

Minstens zo interessant is het printen van huidcellen om open wonden en brandwonden sneller te genezen. De beschadigde huid wordt eerst geanalyseerd, waarbij onder andere de diepte van de wond van belang is. Vervolgens worden huidcellen gebruikt die afkomstig zijn van de patiënt zelf, deze moeten in een laboratorium groeien. Deze cellen worden vervolgens gesteriliseerd en in cartridges geplaatst om vervolgens op maat te printen en op de huid te plaatsen.

Maar misschien wel het meest veelbelovende toekomstperspectief is het printen van organen. Dat zou een enorme omslag kunnen betekenen voor de schaarste van donororganen en jarenlange wachtlijsten. Met celmateriaal van de patiënt zelf zou materiaal kunnen worden gekweekt dat als basis dient voor een geprint orgaan, op een vergelijkbare manier als het printen van huid. Het Amerikaanse bedrijf Organovo experimenteert met levende cellen waarmee menselijk weefsel kan worden gemaakt, zoals een lever. De grootste uitdaging is de productie van het vasculaire systeem dat het orgaan kan voorzien van zuurstof en voedingsstoffen, anders sterven de cellen af nog voordat ze uit te printer komen. Maar het bedrijf stelt dat men al weefsel heeft geproduceerd dat het minimaal veertig dagen uithoudt. Het experiment bevindt zich in de laboratoriumfase en is nog niet geschikt voor een transplantatie, dus het zal nog wel even duren voordat dit realiteit wordt. Maar het lijkt veelbelovend!

Medicijnen printen

Het printen van medicijnen zou de sleutel kunnen zijn voor eenvoudige en goedkope distributie van medicijnen. Vooral tijdens rampen zou dit een enorme hulp zijn, omdat medicijnen dan niet meer vanuit een ander werelddeel getransporteerd hoeven te worden, maar lokaal kunnen worden geproduceerd. Er zijn al experimenten met een soort chemische inkt waarmee een relatief simpel medicijn als Ibuprofen gemaakt kan worden. Het enige wat nodig is, is een recept en de juiste grondstoffen.

Toekomst

Dat 3D-printen meer mogelijkheden biedt dan enkel het printen van legoblokjes, mag duidelijk zijn. De NASA gebruikt al een 3D-printer in de ruimte om onderdelen voor reparatiedoeleinden te produceren en experimenteert ook met voedselprinters. Ook wordt er gespeculeerd over het bouwen van gebouwen op de Maan en Mars met behulp van een printer.

Richard van den Brink van Encis ziet al op korte termijn grote veranderingen. "In het VMBO-onderwijs komen er nieuwe leerlijnen, waarbij men in de sector techniek ook aan de slag gaat met 3D-printers. Ook bij andere scholen zal dit worden toegevoegd aan het curriculum. In het bedrijfsleven zullen engineers geen ontwerpen meer maken voor een bepaald productieproces, maar een specifieke functie omdat je bij 3D-printen veel meer geometrische vrijheid hebt. Het maken van onderdelen gaat veel meer lokaal gebeuren. De maakindustrie wordt op zijn kop gezet."

Volgens futuroloog Tony Bosma is er zelfs al een opvolger van 3D-printen op komst: 4D. "Dat houdt in dat je producten kunt creëren die later hergeprogrammeerd kunnen worden zodat ze ook andere vormen kunnen aannemen. Stel je meubilair voor dat zichzelf kan aanpassen aan de situatie waarvoor het op dat moment gebruikt wordt." Daarnaast verwacht hij, net als Richard, dat ons consumptiepatroon sterk zal veranderen: van vaak gedachteloos passief consumeren naar actief participeren en creëren. "3D- en 4D-printing kan van iedereen een producent maken en dat is een fundamentele omslag in de maatschappij en in de relatie tussen klant en organisatie. In de toekomst zal 3D-printen net zo eenvoudig worden als het printen zoals we dat nu kennen."

Meer lezen?

www.encis.nl

www.extendlimit.nl

www.shapeways.com