1. Hoe lang bestaat 3D-printen?
Een 3D-printer maakt, op basis van een digitale bouwtekening, driedimensionale objecten. Het is een machine die dus echte dingen maakt. Voor heel veel mensen is 3D-printen iets nieuws, maar het idee bestaat al sinds 1980.
Dr. Kodama uit Japan deponeerde in 1980 het eerste patent voor een techniek genaamd Rapid Prototyping. Rapid Prototyping, oftewel snel een proefproduct van iets maken, is zeer belangrijk voor bedrijven die steeds nieuwe producten bedenken en maken. Door snel een proefmodel te maken kunnen ze zien of iets werkt en of het slim is om deze door te ontwikkelen.
In 1986 deponeerde Charles Hull zijn patent voor een stereolithografie machine. Hij beschreef een machine die objecten kon maken door een vloeistof laagje voor laagje hard te maken. In de wereld van 3D-printen noemen wij deze techniek SLA.
In 1989 deponeerde Carl Deckard zijn patent voor een machine die objecten maakt met behulp van een laser. Deze laser smelt het materiaal aan elkaar. Deze techniek noemen we Selective Laser Sintering (SLS).
In 1992 deponeerde de firma Stratasys hun patent voor een machine die laagjes print door plastic te smelten en hiermee te “schrijven”. Deze techniek noemen we Fused deposition modeling (FDM) of Fused Filament Fabrication (FFF). De printers die vaak in het nieuws komen en bijvoorbeeld op scholen worden gebruikt werken meestal met deze techniek.
2. Wat maakt een 3D-printer zo bijzonder?
In de wondere wereld van 3D-printen zijn de mogelijkheden bijna onuitputtelijk. Je creativiteit is vaak de belemmering.
Additief – geen restafval
Er zijn heel veel soorten machines die iets kunnen maken. De meeste machines halen materiaal weg om een product te maken. We noemen dit verspanen. Denk bijvoorbeeld aan frezen, zagen, slijpen et cetera. Verspanen levert afval op. Een 3D-printer haalt geen materiaal weg, maar voegt materiaal toe. Het is wat ze noemen een additieve technologie. Een 3D-printer plaatst alleen materiaal waar het moet komen en levert daarom weinig tot geen restafval op.
Vormvrijheid – alles is mogelijk
Wat kan je maken met een zaag en een plank hout? En wat is allemaal mogelijk als je met klei iets gaat maken? We hebben het hier over vormvrijheid. De mate waarin je met de hand of een machine iets kunt maken van een bepaald soort materiaal. Een 3D-printer kan (bijna) alle soorten vormen printen en dat geeft veel vormvrijheid.
Op tijd, op lokatie en op maat.
Als je een 3D-printer hebt, ga je pas iets printen zodra je het nodig hebt (op tijd) en print je het precies zoals je het wilt hebben (op maat). En meestal print je dan in de buurt van waar je het nodig hebt (op lokatie). Je hoeft dus geen voorraad meer als bedrijf aan te houden en het product te vervoeren naar een andere lokatie. Dat scheelt kosten en het is beter voor het milieu.
Iedereen kan nu ontwerpen en maken
In 2004 startte Dr Bowyer het RepRap concept. Doel was om een 3D-printer te maken die goedkoop was, zodat iedereen zo’n printer kon aanschaffen. Dit project is een open source project. Open source wil onder meer zeggen dat iedereen vrij (gratis) toegang heeft tot kennis en hierop kan voortbouwen. Dankzij RepRap is de prijs van een FDM/FFF 3D-printer erg laag geworden en dus voor meer mensen betaalbaar. Iedereen kan nu dus iets zelf ontwerpen en maken. Hierdoor is het bijvoorbeeld mogelijk geworden om heel goedkoop een handprothese (project e-NABLE) te ontwikkelen voor kinderen waarvan hun ouders een normale prothese niet kan betalen.
Filmpje: Hoe ziet de toekomst er uit met de 3D-printer?
3. Hoe werkt een 3D-printer?
Een 3D-printer print 3D-objecten in laagjes. De meest voorkomende manieren om een 3D-print te maken zijn:
- Stereolithografie (SLA of STL): een laser maakt een vloeistof (hars) laagje voor laagje hard.
- Fused deposition modeling (FDM) of Fused Filament Fabrication (FFF): printen van laagjes door plastic te smelten en hiermee te “schrijven”.
- Selective laser sintering (SLS): een laser smelt laag voor laag een (metaal) poeder.
De meest bekende vorm van 3D-printen is het printen met plastic (Fused Filament Fabrication (FFF). We leggen hieronder uit hoe dat werkt en op de foto hiernaast (klik er maar eens op) zie je waar alle genoemde onderdelen in de 3D-printer zitten.
Achterop de printer (Foto 2) zit een spoelhouder, hierop zit een grote klos filament. Het filament (plastic draad) gaat via de extruder zichtbaar op foto 3 in de plastic slang (een bowden tube genoemd), te zien op de grote foto in het midden (foto 1) en steekt boven de printer uit.
Via de bowden tube gaat het filament naar de printkop op foto 4. Daar wordt de ‘nozzle’ of wel de spuitmond (foto 5) verwarmd. Hierdoor gaat het filament in de nozzle smelten en wordt het gesmolten plastic in laagjes neergelegd op de glasplaat. De glasplaat is onderdeel van het ‘building plate’ en is te zien op foto 6.
De eigenschappen van je ontwerp zoals de temperatuur waarmee het filament moet worden gesmolten, de laagdikte, printsnelheid et cetera staan allemaal opgeslagen in de G-code. De G-code staat op een SD-kaartje dat in de UltiController gaat. Met de UltiController, die te zien is op foto 7, kun je de 3D-printer aansturen.
De ventilator op foto 8 zorgt ervoor dat de laagjes die op de glasplaat zijn neergelegd afkoelen, voordat er weer een volgende laag wordt opgelegd. Je kunt je voorstellen dat het belangrijk is dat de eerste laag voldoende moet zijn uitgehard, voordat er een nieuwe, nog vloeibare laag bovenop wordt gelegd. Dit om verzakking in het 3D geprinte model te voorkomen.
Hieronder vind je een filmpje (10:31) uit de Wereld Draait Door uit 2011.
Alexander Klöpping en Erik de Bruin van Ultimaker leggen onder meer uit wat een 3D-printer is en wat je er mee kunt printen.
Ze doen dit met de allereerste Ultimaker Original 3D-printer die inmiddels een stuk verbeterd is.
4. Hoe maak je zelf een 3D-object?
Er zijn drie manieren om aan een 3D-object te komen. Downloaden, zelf maken of scannen. Zelf maken is natuurlijk het leukst en dat kan met een 3D-ontwerpprogramma.
Er zijn heel veel gratis 3D-ontwerpprogramma’s beschikbaar. Sommige programma’s zijn heel moeilijk, maar er zijn ook heel veel programma’s beschikbaar die vrij simpel zijn. Deze zijn ook vaak gratis. Wij werken bijvoorbeeld graag met Tinkercad. Hiermee kunnne kinderen vanaf 8 jaar al hele mooie ontwerpen mee maken die ook te printen zijn met een 3D-printer.
Bij Tinkercad kun je met bestaande vormen, cijfers en letters gaan bouwen. Zie het als het werken met een blokkendoos. Bij Tinkercad kun je naast het stapelen van deze genoemde vormen, de afmeting van de vormen ook aanpassen en de vormen in elkaar laten verzinken. Nieuwsgierig? Kijk eens op www.tinkercad.com en maak je eigen account (gratis) aan. Ben je onder de 13? Vraag dan eerst toestemming aan je ouders / opvoeders.
5. Waar vind ik bestaande 3D-objecten?
Zelf iets maken, daar draait het natuurlijk om bij 3D-printen. Maar soms is het ook gaaf om iets uit te printen wat iemand anders heeft gemaakt.
Bestaande 3D-objecten vind je op websites als www.youmagine.com en www.thingiverse.com. Hier staan ‘kant-en-klare’ 3D-modellen van mensen die hun ontwerpen graag willen delen met andere 3D-printergebruikers.
Er zijn natuurlijk veel meer websites waar je iets kunt downloaden om te 3D-printen. Google maar eens rond.
6. Met welke materialen kun je 3D-printen?
Hout is een materiaal en plastic ook. In de wereld zijn heel veel verschillende materialen beschikbaar waaruit je kunt kiezen om iets te maken. Kun je met al deze materialen ook 3D-printen?
Nee, sterker nog, je kunt nu nog maar met een handje vol materialen 3D-printen:
- Plastics (PLA, Nylon, ABS, LayWood, Carbon)
- Metalen (Aluminium, cobalt, RVS, Goud, Zilver, Titanium)
- Keramiek (Klei)
- Beton
- Papier
- Bio Materiaal
- Eten (Chocola, Suiker, Pasta, Vlees)
Met FDM/FFF 3D-printer kun je alleen printen met plastics en op scholen bij voorkeur met PLA.
Hieronder een leuk filmpje over wat je allemaal zou kunnen 3D-printen.
7. Wat is PLA?
PolyLactic Acid (PLA) oftewel Polymelkzuur is biologisch afbreekbaar en wordt gemaakt van een plantaardige grondstof zoals maïszetmeel of suikerriet.
Het smelt al bij 170 °C en boven de 250 °C gaat het ontbinden. De printers waarmee op scholen wordt geprint gebruiken meestal PLA.
8. Wat kost een 3D-print?
Om de kosten voor een 3D-print van een 3D-printer uit te rekenen zijn vier zaken van belang:
- De grootte van de print (gewicht en printtijd).
- De kosten van het materiaal dat je verbruikt.
- De energiekosten, want de printer verbruikt stroom.
- De afschrijvingskosten van de 3D-printer.
Voor het gemak nemen we in onderstaande berekening de afschrijvingskosten niet mee, omdat deze sterk afhankelijk is van hoeveel je print en hoe duur de 3D-printer is.
De Ultimaker 3D-printer verbruikt 0,221 kilowatt per uur (kWh). De prijs voor 1 kWh is ongeveer € 0,22 cent. Dat is dus voor 221 watt € 0,05 cent per uur.
De prijs voor een rol PLA filament is gemiddeld € 25,- voor 750 gram filament. Per gram is dat ongeveer € 0,03 cent.
Stel je print een scheidsrechtersfluitje. Daar doet de 3D-printer een halfuur over en het gewicht van het fluitje is 6 gram. Het fluitje kost dan € 0,22 cent.
Print je een kop van een dinosaurus T-rex (schaal 1:20), dan verbruikt de 3D-printer circa 120 gram filament met een printduur van ongeveer 10 uur. Het printen van de T-rex kost dan circa € 4,47.
9. Hoeveel CO2 kost een 3D-print?
Er zijn heel veel soorten 3D-printers, dus op deze vraag is geen eenduidig antwoord te geven.
Met 3Dkanjers gebruiken wij onder meer de Ultimaker Original Plus. Dit is een FDM/FFF 3D-printer (laagjes printen met gesmolten plastic). Hoeveel CO2 er wordt uitgestoten voor het produceren van een 3D-print is afhankelijk van het soort en hoeveelheid filament en of je gebruik maakt van “grijze” of “groene” stroom. Als we uitgaan van “Groene” stroom dan is de uitstoot CO2 per kilowattuur minimaal.
Voor het produceren van PLA is een CO2 uitstoot berekend van 0,27 kilogram CO2 per 1 kilogram PLA. (http://www.natureworksllc.com/) Dat is heel weinig, want bijvoorbeeld het produceren van 1 kilo staal geeft een uitstoot van 4 kilogram CO2 en voor het produceren van 1 kilo vlees zelfs 13,3 kilogram CO2.
Het maken van een scheidsrechtersfluitje (zie wat kost een 3D-print) geeft een uitstoot van 0,002 kilogram CO2 en de T-rex 0,032 kilogram CO2.
Bovenstaande wil natuurlijk niet zeggen dat 3D-printen zeer goed is voor het milieu. Het is waar dat je met een 3D-printer alleen iets maakt als je het (echt) nodig hebt en dat je hierbij ook niet of nauwelijks afval creëert. Aan de andere kant, je verbruikt wel plastic en je 3D-print komt uiteindelijk ook bij het afval terecht. PLA filament (Polymelkzuur) is gelukkig wel biologisch afbreekbaar en als je gerecycled PLA gebruikt ben je nog beter bezig.
10. Kun je ook in kleur 3D-printen?
Er zijn speciale 3D-printers die tegelijkertijd in alle kleuren kunnen printen, maar de veelvoorkomende FDM/FFF 3D-printer (laagjes printen met gesmolten plastic) kan doorgaans met 1 kleur per keer 3D-printen.
Er zijn wel 3D-printers met 2 printkoppen, zodat je met 2 kleuren kunt printen, maar dat is nog niet echt wat je wilt. Je kunt dan beter je object in wit printen en met verf mooi inkleuren. Dat is veel mooier (en leuker om te doen).
11. Hoe lang duurt het om een 3D-object te printen met een 3D-printer?
De tijd die een 3D-printer nodig heeft om een 3D-print te maken is onder meer afhankelijk van de grootte van het ontwerp en de gekozen instellingen in de “Slicer”.
De “Slicer” is een software programma dat een 3D-object omzet in een (G)code die de 3D-printer kan lezen. In de “Slicer” is af te lezen hoe lang een print gaat duren als je kiest voor een bepaalde instelling.
Dit zijn de belangrijkste instellingen die van invloed zijn op de printtijd:
- De print snelheid. Sommige goed afgestelde printers kunnen wel 300 millimeter per seconde halen, maar vaak wordt er in de praktijk geprint met zo rond de 70 millimeter per seconde.
- De laaghoogte (een laaghoogte van 0,1 millimeter duurt twee keer zo lang als een laaghoogte van 0,2 millimeter, maar is wel mooier)
- De “Infill” (vulling), oftewel de hoeveelheid materiaal dat gebruikt wordt om het object te vullen met plastic. Bij een “Infill“ van 100% krijg je een massief object (en dat kost tijd) en bij de veel gebruikte instelling van 20% krijg je een raster in het object (en dat kost minder tijd).
Een scheidsrechtersfluitje duurt circa 25 minuten om te printen. De kop van een dinosaurus (schaal 1:20) duurt circa 8-10 uur.
Een vaak gehoorde “klacht” is dat 3D-printen zo lang duurt. Tijd is relatief, dus mag je ook de vraag stellen waar het dan mee wordt vergeleken. In vergelijking tot 2D-printen (printen op papier) duurt 3D-printen zeker heel lang. Vergelijk je het met boetseren van klei of werken met papier maché, dan is 3D-printen weer heel snel. Immers, klei en papier maché moeten een paar dagen drogen voordat je het kan nabewerken.
12. Is het moeilijk om zelf een 3D-printer te bouwen?
Je kunt een kant-en-klare 3D-printer kopen, maar als je er één zelf bouwt, dan weet je ook precies hoe het werkt. En het is gaaf om te doen met je klas.
Zelf een 3D-printer bouwen is niet heel makkelijk, maar zeker ook niet moeilijk. Er zijn al heel veel (basis)scholen waar kinderen uit groep 6, 7 en 8 met elkaar de Ultimaker Original Plus zelf bouwen.
13. Bijzondere 3D-projecten in Nederland.
- http://3dprintcanalhouse.com
- http://www.dirkvanderkooij.com/collections/collection/products/flow-dining-chair
- http://www.jorislaarman.com/work/
- http://preciousplastic.com
- http://oliviervanherpt.com/functional-3d-printed-ceramics/
14. Waar kan ik iets laten 3D-printen?
Iets zelf gemaakt met bijvoorbeeld Tinkercad en je hebt geen 3D-printer? Dat hoeft geen probleem te zijn. Misschien zit er een school bij jou in de buurt waar ook een 3Dkanjers 3D-printer staat en waar je het mag uitprinten. Nee, ga dan zeker eens naar een Fablab of laat het gewoon printen bij een 3DHub.
Een FabLab is een openbare digitale werkplaats waar mensen worden uitgenodigd om zelf dingen te maken door middel van verschillende technieken en waar het openlijk delen van ontwerpen en ideeën wordt aangemoedigd. Ze hebben daar lasersnijders, 3D-printer3, foliesnijders en wat al niet meer. Misschien zit er een Fablab bij jou in de buurt. Kijk maar eens op de website van FabLab BeNeLux.
Heb je een speciale vraag over 3D-printen of misschien een suggestie? Laat het ons weten en misschien kunnen wij je hierbij helpen.
(Ben je jonger dan 13 jaar, vraag dan aan je leerkracht / ouders / verzorgers of je ons een e-mail mag sturen).