Bedrijven gebruiken 3D-printen al om prototypes en series te maken, maar de materialen zijn nog voor verbetering vatbaar. ‘Eigenlijk zou ik regelmatig met chemiebedrijven om de tafel willen zitten.’

3D-printen is al jaren in opkomst, maar voor echt brede toepassing in het bedrijfsleven moet er nog stevig geïnnoveerd worden. Zo zijn de printers vooralsnog duur in aanschaf en onderhoud, en is de technologie binnen twee jaar achterhaald. In dit kader speelt ook printtijd een belangrijke rol. En de chemie kan, onder andere, daarin een groot verschil maken. Zo presenteerde de Amerikaanse start-up Carbon3D onlangs een nieuwe printer, die in vijf minuten een gedetailleerd kunststof model van de Eiffeltoren uit een badje van vloeibaar hars laat verrijzen.

Printen met vloeibare hars is een van de basistechnologieën waarmee bijvoorbeeld auto-ontwerpers tegenwoordig prototypes van dashboards, bumpers en onderdelen van een carrosserie kunnen maken. Daarbij wordt een model laag voor laag opgebouwd door een bad met vloeibaar polymeer gericht uit te harden met een laser of een UV-bron.

Met de bestaande printers duurt dat uren, doordat veel tijd verloren gaat met het aanvullen van verse hars tussen het uitharden van twee lagen. De nieuwe printer van Carbon3D maakt slim gebruik van de remmende werking van zuurstof. Een uitgekiend zuurstof-doorlatend membraan zorgt ervoor dat de toevoer van vers polymeer continu kan plaatsvinden.

Tijdswinst bij 3D-printen is belangrijk voor het succes van de technologie, bevestigt Benjamin Denayer, adviseur bij Sirris in Heverlee. ‘De stap van ontwerp naar product kan dan nog sneller en goedkoper worden gemaakt.’ Sirris is een van de initiatiefnemers van het onlangs opgerichte kennisnetwerk Flan3D, dat Vlaamse bedrijven, kennisinstellingen en overheid rond 3D-technologie met elkaar wil verbinden.

Denayer adviseert Vlaamse MKB-ondernemingen op welke manier ze 3D-printen kunnen inzetten. Denayer: ‘Veel Vlaamse bedrijven bekijken inmiddels wat het voor hen kan betekenen. Vlaanderen telt een aantal grotere bedrijven die 3D-printtechnologie gebruiken, zoals Materialise, Layerwise en Melotte. Verder zien we steeds meer service providers, die in opdracht modellen printen. Daarvan zijn er in een jaar tijd tien à vijftien startups bijgekomen. Grote bedrijven zijn daarnaast in hun productontwikkeling ook de eerste stap aan het zetten door relatief eenvoudige printers in huis te halen.’ Vooralsnog beperkt die inzet zich tot R&D en productie-elementen voor eigen gebruik.

Het bedrijf Oceanz in Ede is zo’n dienstverlenend bedrijf, dat al jaren in opdracht modellen print. De klant mailt een bestand en korte tijd later wordt een kunststof model via de post bezorgd. ‘De beeldvorming in de media is soms een beetje hyperig, maar hier wordt gewoon seriematig werk geleverd voor heel verschillende klanten zoals ziekenhuizen en verpakkingsfabrikanten’, zegt Erik van der Garde, directeur van Oceanz. Vrijwel alle producten van het bedrijf zijn uitgevoerd in hard, wit polyamide.

Oceanz levert ook op maat gemaakte zaagmallen aan ziekenhuizen. Die gebruiken chirurgen om tijdens operaties zonder aarzeling en opmeten doelgericht een stukje bot weg te zagen uit een arm, voor bijvoorbeeld een kaakreconstructie. ‘Elke patiënt krijgt z’n unieke mal, passend bij z’n anatomie’, vertelt Van der Garde. ‘En ook in de tandheelkunde is het maken van modellen van het gebit populair.’

Laser-sinteren

Bij Oceanz wordt het merendeel van de modellen gemaakt met de tweede basistechniek uit de 3D-printtechnologie: laser-sinteren van kunststofpoeders. De manshoge 3D-printers van Oceanz vertalen een computertekening in een driedimensionale replica door met een laser volgens de lijnen van het ontwerp een laagje polyamidepoeder te verhitten.

Het poeder zit al tegen het smeltpunt aan – de printer is ook een soort oven – en waar de laser het oppervlak raakt, zie je door het venster het kunststof in een oogwenk smelten. De printer legt vervolgens tien micrometer vers poeder neer en de laser kan z’n werk vervolgen. Na enkele uren is de printer klaar, en kunnen ontwerp en het resterende poeder van elkaar worden gescheiden. ‘Wij werken voornamelijk met nylons, dat is toch wel een beetje het werkpaard van deze technologie. Daarmee kun je nauwkeurig printen en een hoge kwaliteit halen’, zegt Van der Garde.

Daarnaast zijn er bedrijven die laser-sinteren met acrylonitril-butadieen-styreen (ABS) en polyether ether keton (PEEK). Verder zijn er ontwikkelingen op het gebied van composieten die hogere belastingen en temperaturen aankunnen. Daarbij wordt polyamide gemengd met carbonvezels of aluminiumpoeder. Met zulke composieten worden weer homogene ontwerpen geprint.

In de praktijk is gesinterd nylon op dit moment een van de meest gebruikte printmaterialen, stelt Denayer, gevolgd door UV-polymeriserende harsen. ‘Maar ook op het gebied van extrusie van draden gesmolten kunststof – een populaire techniek in 3D-printen door consumenten – zijn op industrieel niveau ontwikkelingen, zoals het ontwerpen van nieuwe kunststofformuleringen.’

Verbeteren

Heel andere mogelijkheden ontstaan met een op een inktjet-printer lijkende machine, die verschillende soorten vloeibare hars tegelijk kan hanteren. Printerfabrikant Stratasys levert zogenoemde PolyJet-systemen, waarmee verschillende kleuren kunststof, transparante lagen en rubberachtige polymeren in hetzelfde ontwerp kunnen worden gecombineerd. Verder hebben onderzoekers van Harvard University vorig jaar een printkop ontworpen die harsen vlak voor het printen kan mengen. Zo kunnen in te toekomst mogelijk gradiënten en naadloze overgangen tussen verschillende materiaalsoorten worden geprint.

De printertechnologie en materialen die bij het laser-sinteren worden gebruikt zijn de laatste paar jaar niet spectaculair veranderd, zegt Van der Garde. Op het gebied van materiaaleigenschappen, minimale wanddiktes en breuksterkte kan nog veel verbeteren: ‘Het aantal leveranciers van de polyamide die we gebruiken is beperkt, en ik denk dat een chemisch bedrijf als DSM allerlei materiaaleigenschappen makkelijk kan verbeteren. Maar het volume dat de 3D-markt aan polyamide afneemt is nog beperkt, dus die handschoen pakken ze nog niet op.’

‘Eigenlijk zou ik regelmatig met chemiebedrijven om de tafel willen zitten’, vervolgt Van der Garde. ‘Wij kennen de printtechnologieën en de markt voor geprinte modellen, chemici hebben de kennis om specifieke materiaaleigenschappen te verbeteren. Printbedrijven hebben dat niet in huis, en we kunnen niet even zelf polyamide maken. Daarvoor heb je een flinke chemische plant nodig.’

Complementaire techniek

Elke 3D-techniek heeft zo z’n specifieke eigenschappen en toepassingen, zegt Denayer. Dat is het duidelijkst bij het 3D-printen van metalen door laser-sinteren van metaalpoeders. Zo kunnen ingewikkelde driedimensionale ontwerpen worden gemaakt in staal en aluminium. Vooral het maken van poreuze medische implantaten van titanium is een nieuwe toepassing. Van der Garde haakt hierop in: ‘Een chirurgische implantaat gemaakt van titanium is bijvoorbeeld grotendeels hol. Het grote voordeel van deze manier van produceren is dat je kanaaltjes en holtes kunt aanbrengen, met traditionele technieken is dat onmogelijk.’

Denayer: ‘Het is heel belangrijk een nieuwe techniek op zijn merites te beoordelen. Neem staal, dat kun je op dit moment in een vorm gieten of juist frezen uit een blok. Het resultaat is niet met elkaar te vergelijken, en toch hebben ze elk een eigen toepassing. 3D-printen in metaal moet je daarnaast zetten: het levert specifieke materiaaleigenschappen en vormvrijheid, zoals het maken van holle honingraatstructuren. Maar 3D-geprint metaal is niet voor elke toepassing een alternatief.’ Je moet het dus vooral zien als een extra mogelijkheid. Denayer besluit: ‘3D-printen is een complementaire technologie die nog moet verder evolueren.’