Trendwatchers Lamb: 3D-printing wordt 4D-printing!

Overal gonst het inmiddels om mij heen van de verhalen over 3D-printen. Is het vooral een buzzwoord in de marketing of gaat het ons leven echt veranderen? Ik vroeg Lieke en Richard Lamb van TrendWatcher.com om hun licht te laten schijnen over 3D-printing. Om te kijken of en hoe je er als marketeer je voordeel mee kunt doen. En natuurlijk vroeg ik ze ook een stapje verder te kijken. Want wat komt er na 3D? Lieke: “Toen we jaren geleden de komst van 3D-printers aankondigden, nam niet iedereen dit even serieus. Niet zo vreemd als je bedenkt dat de snerpende matrixprinters zojuist vervangen waren door de stille inkjet-printers en laserprinters. Concrete voorbeelden bleven beperkt tot vage kunststof rariteiten. En zelfs al buitelt ondertussen iedereen over elkaar heen in de media om te vertellen dat 3D wel eens heel groot kan gaan worden, nog is het moeilijk de impact ervan goed te laten doordringen.” In dit artikel word je meegenomen in de wereld van 3D-printing en kijken we ook naar het vervolg: 4D-printing.

Onderstaande artikel is geschreven door Richard Lamb en Lieke Lamb

Industrieel, medisch en voedsel printen

Industrieel printen gebeurde al veel langer. Al was het meer 3D-uitsnijden dan -printen. Als voorloper was er de techniek waarbij met CAD-CAM (computer aided design – computer aided manufacturing: ‘tekenen en snijden’) bijvoorbeeld uit een blok schuim met behulp van laser- of waterstralen in de juiste vorm prototypes werden gesneden. Wat vandaag de dag op je laptop kan, moest toen met aparte, dure CAD-werkstations ontworpen worden.

In die tijd liet de nauwkeurigheid van bijvoorbeeld een matrixprinter het al niet toe op een fatsoenlijke manier een rechte lijn te printen, laat staan dat je destijds een nauwkeurige 3D-printer kon maken. De aansturing van de printkop alsook de snijkop van een printer gebeurt door middel van een servomotortje (of stappenmotortje), dat in hele kleine stapjes (schokkende beweginkjes) ronddraait om de printkop aan te sturen. De mechanische uitdaging was de afgelopen jaren: wachten tot die aansturing verfijnd genoeg zou zijn. En dat bovendien bij het heen en weer bewegen van de kop het ‘uitspugen’ van de inkt op de ‘terugweg’ precies aansloot op de heenweg.

Inmiddels koop je als consument voor 3 tientjes in de elektronicawinkel een servomotortje met de onvoorstelbare nauwkeurigheid van 0,27 nanometer. Industrieel printen gaat met veel grotere nauwkeurigheid en bovendien veel hogere snelheden dan het ‘thuisprinten’: in een paar minuten worden in ‘serie-stukproductie’ dingen geprint waar je desktop 3D-printer thuis al gauw vijf uur over doet. Ook de afmetingen verschillen. Zo worden er door professionals al hele gebouwen ontworpen om te printen, zoals door de Italiaan Enrico Dini en de Nederlander Janjaap Ruijssenaars.

Maar naast extreem groot kan er ook juist extreem klein worden geprint. En met name bij medische toepassingen is het volle kracht vooruit met behulp van nanoprinting en bioprinting.

Kaken en schedels vervangen door geprinte kunststof exemplaren was nog maar een begin. Net als het printen van kunstmatige spieren op basis van veerkrachtige polymeren. Een stap verder is tissue engineering: het opkweken en uitprinten van organen gaat de donordiscussie overbodig maken. Naast het opkweken van stamcellen bestaat er ook de techniek waarbij kloddertjes cellen (zij blijken deze ‘reis’ te ‘overleven’) uit de printer komen, bijvoorbeeld in de vorm van een bloedvat. Cellen die zichzelf gaan ‘organiseren’. Bio-inkt die door het lichaam wordt geaccepteerd en opgenomen in het systeem. Maar ook bestaan er technieken om juist met speciale coating (multiphoton polymerisation) volledig kunstmatige 3D-geprinte bloedvaten te implanteren. En is er inmiddels 3D-geprint materiaal gemaakt dat de eigenschappen heeft van biologische weefsel.

Creative food design richt zich met het voedsel uitprinten inmiddels op nieuwe textuur en structuur. De experimentele fase richt zich momenteel op toetjes in de meest creatieve vormen en zaken zoals chocolade en taartjes en dergelijke – ik klaag niet. Met verschillende technieken, zoals het uitsnijden van vormen tot het inprinten van dingen tot het echt opspuiten van laagjes ‘voedselinkt’. Dat laatste biedt natuurlijk mogelijkheden voor nieuwe samenstelling van voedselstoffen. Als deze toch worden teruggebracht tot verpulverd inktniveau kan je denken aan alternatieve ingrediënten zoals de voedzame stoffen uit algen, insecten en gras.

Printing food

“Build your own Ultimaker 3D Printer”

Doorbraak 3D-printing door 3D-scanners voor de consument

Technologisch staat 3D-printing nu op het punt van doorbreken bij de consument. Het 3D laten printen van custom-made hebbedingetjes, zoals armbanden, servetringen, vazen en dergelijke, bestaat al enige jaren. Bij bedrijven zoals Shapeways kon en kan je het voorwerp laten uitprinten. Het wordt daar ook nog nabewerkt. Sommige materialen harden uit in de oven (wat soms een lichte krimp van het voorwerp veroorzaakt) en de objecten worden gepolijst door ze in een bad met grindsteentjes rond te laten draaien. Zelf moet je dan het object eventueel nog lakken en dergelijke.

Met de komst van de betaalbare ‘thuisprinters’ komt nu eindelijk de versnelling van de introductie van 3D bij het grote publiek. We zullen van alles kunnen printen in polymeren, metaallegeringen, glas en allerlei andere grondmaterialen. Denk aan auto-onderdelen, sieraden, schoenen, kleding (zoals Dita Von Teese), BH’s, smartphone-hoesjes en natuurlijk huishoudelijke voorwerpen zoals bestek, servies, potten en pannen. Maar ook die speciale schroef van de kast of die knop van de vaatwasser die afbrak. Wellicht krijgen we van Ikea of Miele wel een printontwerp toegemaild, zodat we het zelf uit kunnen printen?

Het zijn alledaagse voorwerpen waarbij het altijd een afweging is of het economisch wel interessant is een 3D-exemplaar te laten printen of dat het toch beter is een massa-geproduceerd voorwerp te kopen, online of in de winkel afhankelijk van gemak, kosten en haalbaarheid.

3D-printing geeft ons de mogelijkheid om unieke voorwerpen te printen. Bijzonder daarbij is dat de productiekosten recht evenredig zijn met de afmetingen en het gebruikte materiaal. Een kleine 3D-vaas is bijvoorbeeld altijd goedkoper dan een grote. Tenzij je voor het design betaalt. Doordat de productiekosten bij 3D-printing eenvoudig te berekenen zijn, worden ook de kosten van de designer transparant.

De 3D-kosten hangen overigens deels af van de gekozen techniek. Die kan uiteen lopen van ‘Filament’-draad in een desktop 3D-printer tot een blok metaal dat door een industriële 3D-printer bewerkt wordt. In verband met de maximale verwerkingstemperatuur is het in de gewone consumentenprinter niet mogelijk met goud of zilverdraad te werken. Maar het is natuurlijk wel mogelijk om via 3D-printing voorwerpen van goud, zilver of andere edelmetalen te vervaardigen door het 3D-uitprinten van een mal, waarin vervolgens het edelmetaal gegoten wordt.

Shapeways 3D Metal Printing

Inkt duurder dan champagne

Het basismateriaal dat nodig is om met een huis-tuin-en-keuken-3D-printer zelf voorwerpen te maken, kopen we voor een paar tientjes per rol van bijvoorbeeld 750 gram. Afhankelijk van het gebruikte materiaal en de gewenste kleur kan de prijs overigens flink oplopen. Qua kosten en businessmodel mag hier een vergelijking getrokken worden met de inktjetprinters waarbij de inkt in de cartridges duurder is dan champagne. De 3D-printers zelf zijn overigens in verhouding niet zo duur: momenteel tussen de 1.000 en 2.000 euro voor een instapmodel. De fabrikanten zullen vooral verdienen aan de draadrollen met basismateriaal.

Replicator 2 van MakerBot

3D-scanning aanjager van 3D-printing

3D-printing wordt pas echt interessant als we tot nu toe onmogelijk geachte objecten kunnen gaan printen. Denk aan de 3D-tekeningen van Escher, batterijen inclusief energie, zonnecellen, een implantaat voor een beschadigde schedel, wapens, medicijnen, voedsel, huidweefsel, organen op basis van stamcellen of een schedelimplantaat. Maar net zo makkelijk een compleet huis, auto, fiets of boot.

Het 3D-verdienmodel zal zich richten op de licenties op 3D-ontwerpen. Daarnaast zullen te pas en te onpas bestaande objecten gekopieerd worden. Dat is mogelijk door de opkomst van 3D-handscanners die gekoppeld kunnen worden aan een 3D-printer. 3D-replicators hebben de toekomst. Hierdoor hoeft niet iedereen over CAD-CAM-vaardigheden te beschikken maar wordt het ‘copy-paste in-real-life’. De conservator van een museum – maar ook de bezoeker – kan in een handomdraai een unieke schelp of ander voorwerp 3D-scannen en dupliceren. De advocatuur zal het nog druk krijgen met rechtszaken aangaande inbreuk op het auteursrecht, merkenrecht en modellenrecht. Het is de vraag in hoeverre de wetgeving gelijke pas kan houden met de technische ontwikkelingen.

3D Hand Scanner

DIY nano-assemblers

Nu denk je bij wapens uit een 3D-printers vooralsnog aan een kruisboog, machinegeweer of raketwerper. Op het moment dat 3D-printers opgevolgd worden door do-it-yourself nano-assemblers ter grote van een laptop wordt het zelfs mogelijk om thuis chemische wapens en biologische wapens te maken. Het spreekt voor zich dat er voor die tijd nog met wetgeving en wellicht technologische beperkingen op zo’n nieuwe situatie geanticipeerd zal moeten worden.

Jay Leno

Terug naar vandaag de dag waar de innovators en early adopters inmiddels flink aan de slag zijn gegaan met 3D-scanning en 3D-printing. Een mooi voorbeeld is de Amerikaanse presentator Jay Leno van The Tonight Show bij NBC met een voorliefde voor oldtimers. Als hij een oud auto-onderdeel nergens meer kan kopen, plakt hij de stukken van het gebroken onderdeel aan elkaar, laat het door een 3D-scanner inlezen en maakt met de 3D-printer een exacte kopie in de gewenste metaalsoort.

Jay Leno's Garage: NextEngine 3D Scanner

3½D-printing: smart materials

Met 3D-printing bedoelen we het printen van passieve gebruiksvoorwerpen of kunstobjecten waar verder geen beweging in zit. Deze zijn vandaag de dag met een enkele 3D-printkop te vervaardigen. Deze 3D-voorwerpen worden meestal geheel uit één materiaalsoort vervaardigd. Bij 3½D-printing gaan we een stap verder en is het mogelijk om bijvoorbeeld een mechanische functie aan een voorwerp mee te geven. Denk aan verstelbaar gereedschap zoals een waterpomptang.

Ook steeds meer 3D artists ontdekken de mogelijkheden en impact van mechanische installaties. Denk bijvoorbeeld aan kunstmatige insecten die zich door de wind of de zwaartekracht kunnen voortbewegen. Onder 3½D-printing vallen ook voorwerpen gemaakt van een ‘bi-metaal’-draad die door temperatuurverandering (of op den duur zelfs het toevoegen van bv water of licht) van vorm kan veranderen(!).Zo kan het bijvoorbeeld op een moeilijk bereikbare plaats, zelf de uiteindelijk gewenste vorm aannemen. Maar denk ook aan 3D-geprint spierweefsel met veerkrachtige eigenschappen.

Van 3D- via 3½D- naar 4D-printing

Echt bijzonder wordt het als we ons bezig gaan houden met 4D printing. De factor ‘tijd’ is hierbij de vierde dimensie. (In feite is dus 3½D-printing al een eenvoudige vorm van 4D-printing. Ook daarbij kan de vorm van een object veranderen in de tijd). Bij 4D-printing gaan we echter een stap verder: we voegen er tijd aan toe in de zin dat het samengestelde object niet een stilleven is, maar een voorwerp dat een complexe functie uit kan voeren. Dus geen passieve flessenopener, maar bijvoorbeeld een compleet 3D-geprinte telefoon.

Een extreme vorm van 4D-printing is een 4D-printer die zichzelf kan kopiëren. Maar denk bij 4D-printing ook aan micro-engines op atomair niveau die zich autonoom door ons lichaam kunnen voortbewegen om bijvoorbeeld medicijnen op het juiste orgaan af te leveren. Dat is een revolutie ten opzichte van de huidige medicijnen die vrijwel over ons hele lichaam verspreid worden in de hoop dat er ook voldoende werkzame stoffen via de bloedbanen bij de ongezonde organen terecht komen. Onder 4D-printing vallen ook volledig geprinte radio’s, TV’s, auto’s, vliegtuigen, etc., etc. Het wachten is op de dag dat ik mezelf kan kopiëren.

3D & 4D to the rescue

Wie zich een voorstelling probeert te maken van wat op termijn mogelijk is met 3D- en 4D-printing zal zich realiseren dat het een enorme invloed op onze economie kan hebben. Complete waardeketens worden op zijn kop gezet. Dat loopt uiteen van de bouwsector tot de agri- & foodsector. Producten hoeven niet meer te worden verscheept van bijvoorbeeld Azië naar Europa, maar worden lokaal geprint. Dat biedt ook weer kansen voor de economie. De ‘3D filaments’, het materiaal dat nodig is als grondstof voor een 3D-printer, wordt thuis afgeleverd. De meeste 3D-objecten kunnen overigens na gebruik weer thuis gerecycled worden tot nieuw filament. Het Kickstarter-project Filabot speelt daar bijvoorbeeld op in.

Filabot – 3D filament recycling

One step beyond: 5D- t/m 11D-printing?

Voor de liefhebber tot slot een kleine blik voorwaarts de komende eeuwen in. Naast 3D-printing en 4D-printing is het goed voorstelbaar dat de mensheid zich ook bezig zal gaan houden met het creëren van 5D- t/m 11D-‘objecten’. Dan praten we overigens niet meer over ‘printing’ maar over ‘generating’. Bij 8D gaat het bijvoorbeeld over een parallel universum. Maar dat gaat voor nu nog even iets te ver…

Aan de slag met 3D-printing

Zelf aan de slag met 3D-printing? Neem dan eens een kijkje op…

• ShapeWays.com is een online community met 3D ontwerpen die geprint kunnen worden

• ground3d.nl is een platform dat mensen kennis laat maken met 3D Printen

• Suuz.me laat mensen hun eigen 3D sieraden ontwerpen en printen

• Ultimaker.com ontwikkelde een Open Source 3D Printer die zelf in elkaar gezet kan worden

• Makerbot.com ontwikkelde de Replicator, een serie Desktop 3D Printers

• 4ddynamics.com ontwikkelde handzame 3D Scanners

• FabLab.nl open werkplaatsen met digitaal gereedschap