Workshop Ontwerpen en printen in 3D

Maarten Verkoren

Toen Chuck Hull in 1984 de 3D-printer uitvond, wist hij dat het lang zou duren voordat thuisgebruikers een desktop-3D-printer in hun huis zouden hebben. De industrie omarmde de technologie aanvankelijk vooral als middel om snel prototypes te kunnen maken. Nu, ruim 30 jaar verder, zijn de eerste 3D-printproductiesystemen aangekondigd die in grotere oplages eindproducten kunnen gaan produceren. Tussen  grootschalige productiesystemen en thuisgebruikers ligt een hele wereld, maar als je thuis op je hobbyprinter een zelfgemaakt ontwerpje fabriceert dat een gat in de markt vult, is de stap naar de markt kleiner dan ooit. Dat prikkelt de fantasie en maakt van iedereen een uitvinder. In dit artikel leggen we uit waar je moet beginnen en maken we je wegwijs in de wereld van idee naar product via 3D-printen. Eerst bekijken we de huidige status van het 3D-printen en daarna gaan we naar de praktische kant: we maken een product (bepaalde raamklem) dat niet meer te verkrijgen is en daarna maken we een hebbedingetje (sleutelhanger). Ten slotte laten we deze producten maken door een drietal 3D-printdiensten om ze te beoordelen.

Geen doel maar middel
3D-printen is op moment van schrijven geen doel, maar een middel. Een middel om creativiteit om te zetten in een concreet object, dat door de maker ervan met meer ambachtelijke productiemethoden nooit in die vorm zou kunnen zijn gefabriceerd. Chris Anderson, oud-hoofdredacteur van Wired, schreef er een boek over en roemde de Maker Movement als de democratisering van het maken en de volgende industriële revolutie.

Haken en ogen
Chris Anderson noemde ook de schaduwkant van de doe-het-zelf-cultuur: intellectueel eigendom is niet meer veilig. Niet dat hij dat erg vindt, want bedrijven die markten domineren met allerlei afgeschermde patenten, dat is niet meer van deze tijd. Een ander impliciet gevolg van het alles zelf kunnen maken, is dat we moeten gaan accepteren dat veel dingen ongepolijst en ongetest de markt op zullen komen en in een staat van permanent bèta bij de eindgebruiker terechtkomen. Is dat erg? Nee, want het strakke onderscheid tussen fabrikant, markt en eindgebruiker verdwijnt op deze manier namelijk ook. De markt wordt vaak overgeslagen, wat betekent dat producten direct van de fabrikant bij de eindgebruiker terechtkomen. Of nog anders; de eindgebruiker zelf als fabrikant. Of de gemeenschap (community) die fabrikanten ondersteunt om in samenwerking producten sterk te verbeteren en zo meer aan te laten sluiten op de wensen van de doelgroep en met een veel kortere doorlooptijd. In potentie een ideale wereld, waarin alles on-demand, op maat en gepersonaliseerd geproduceerd kan worden.

Natuurlijk zitten hier nog veel haken en ogen aan, want permanent bèta betekent ook dat er van alles mis kan gaan met die producten en wat zijn daar dan de gevolgen van? Verder zal het makkelijker dan ooit worden om producten van anderen in te scannen met 3D-scanners en na te maken, mogelijk met een kleine aanpassing om patenten te omzeilen, maar soms ook openlijk brutaal jatwerk. Rechtszaken vanuit de industrie zullen even weinig opleveren als destijds in de muziek- en filmindustrie.

Waarom zelf 3D-printen?
Terug naar de thuisgebruiker, de consument die best handig is met een computer, maar nog nooit iets 3D-geprint heeft. Waarom 3D-printen? In dit artikel passeren twee voorbeelden de revue: het maken van een hebbedingetje en het oplossen van een probleem via een 3D-geprint onderdeel. We leggen uit hoe je een idee kan omzetten in een 3D-geprint object, ook als je nog nooit van 3D-ontwerpsoftware gehoord hebt, noch een 3D-printer van dichtbij gezien hebt. We laten beide objecten drie keer 3D-printen en vergelijken ze aan de hand van een aantal criteria.

Praktische voorbeelden
Om het zo praktisch mogelijk te maken, hebben we ons gebaseerd op een waargebeurd voorbeeld. Stel, je hebt een draai-kiepraam waar de raamklem van kapot is gegaan. Ook voor je andere raam, van hetzelfde type, zie je aankomen dat dit onderdeel het door slijtage gaat begeven. De raamklem is niet meer te verkrijgen bij de leverancier. Aangezien het een onderdeel betreft dat een niet al te ingewikkelde geometrie heeft, is het zeer geschikt voor 3D-printen. Voordat er een nieuwe raamklem uit een 3D-printer rolt, moet je nog wel een paar essentiële stappen doorlopen. In de eerste plaats heb je een 3D-bestand nodig. Op internet zijn honderdduizenden 3D-modellen vaak gratis te downloaden. Meestal legaal, soms illegaal (torrentsites bieden geregeld al een tabje met te downloaden 3D-files). Helaas is het betreffende onderdeel niet te vinden, want de fabrikant heeft het niet beschikbaar gesteld voor de community. Een gemiste kans, afijn, dat is al uitgelegd in het begin van dit verhaal.

3D-software
Soms staan bestanden die beschermd zijn, toch op internet omdat ze zijn ingescand of nagemaakt door derden. In dit geval niet, dus restte ons nog twee opties: inscannen of zelf natekenen. Inscannen doe je met een 3D-scanner, die er in een breed scala aan kwaliteiten, smaken en functionaliteiten zijn. In het geval van deze raamklem bleek inscannen niet eens nodig, omdat natekenen nog sneller ging. Op het gebied van 3D-modelleersoftware is inmiddels veel keuze. Het hangt er vanaf wat voor type gebruiker je bent welke software het meest geschikt is. In de volgende PC-Active komen we hier op terug en tijdens de presentaties van het seizoensthema ‘Ontwerpen en printen in 3D’ wordt dit ook behandeld.

De zwarte sleutelhanger is geprint door Dick, de lichtblauwe door Alain
en de donkerblauwe door Oceanz

Het kan soms even lastig zijn 3D-tekensoftware onder de knie te krijgen, maar het is het absoluut waard, we leggen je uit waarom. Los van het feit dat er steeds meer vraag komt naar mensen die kunnen 3D-tekenen, geeft het een bevredigend gevoel als er plotseling een 3D-voorwerp op je scherm staat. Een digitaal product staart je aan vanaf je computer en smeekt je haast om geproduceerd te worden. Dit digitale embryo mag je niet teleurstellen, dus je gaat op zoek naar de beste manier om dit voor elkaar te krijgen. Als het goed is, heb je bij je ontwerp rekening gehouden met de 3D-printbaarheid van je object. In dit geval kon het voorwerp met gemak op zijn kant laag voor laag door een 3D-printer opgebouwd worden.

Simpele sleutelhanger
Het tweede voorwerp betreft een simpele sleutelhanger met de naam ‘Jan’. Een kind kan hier de was doen, want op Thingiverse.com, de community waar honderdduizenden 3D-bestanden gratis gedeeld worden, zijn talloze aanpasbare sleutelhangers te vinden. We selecteerden de populairste (www.thingiverse.com/thing:739573) en in het menu konden we hem eenvoudig aanpassen, lettertype kiezen en de naam intypen. Downloaden en je hebt direct een 3D-printklaar bestand op je scherm staan.

Nu was het nog een kwestie van de juiste instellingen kiezen, door te spelen met het infill-percentage (hoe veel materiaal, hoe zwaar, hoe sterk) en nog een handvol andere variabelen. Na drie uur en vijf minuten 3D-printen (als gevolg van de gekozen instellingen varieert de printtijd van dit voorwerp van één tot wel zes uur) hebben we dan het reserveonderdeel in handen. Dezelfde dag nog dus. Dat is snel! Is het ook goedkoop? Dat hangt er vanaf. Als je het zelf 3D-print op je eigen 3D-printer, ben je eigenlijk alleen 16 gram materiaal, in dit geval ABS, kwijt. De prijzen van het materiaal variëren, maar 3 cent per gram is haalbaar. Aan materiaal komen we dus op circa 50 cent. Kijk, zo loont het om zelf een 3D-printer in huis te halen!

3D-printdiensten
Als je geen 3D-printer hebt, ben je aangewezen op anderen met zo’n apparaat. Je kunt langs verschillende wegen bij allerlei 3D-printdiensten terecht. Natuurlijk komen er extra kosten bij als je het laat 3D-printen, zoals opstartkosten en verzendkosten en vaak ook nog een doorberekening van manuren en machinetijd.

Voor lang niet alles is 3D-printen zinvol, het slaat bijvoorbeeld nergens op om een object te maken met een 3D-printer dat massageproduceerd wordt en overal beschikbaar is. Dingen die niet meer verkrijgbaar zijn of gepersonaliseerd of op maat gemaakt moeten worden, zijn vaak ideaal voor 3D-printing. We hebben nu alleen nog maar gekeken naar een aantal polymeren, maar er kan al met honderden materialen gewerkt worden.

Kijk eens bij Shapeways bijvoorbeeld, een 3D-printservice waar je een ontwerp naartoe kunt uploaden of in hun shop kunt uitzoeken. Vervolgens selecteer je een materiaal en krijg je direct de prijs. Een sieraad ontwerpen en in een edelmetaal laten fabriceren is nu kinderspel en al binnen handbereik voor elke thuisgebruiker.

Laten 3D-printen
We lieten de raamklem 3D-printen bij zo’n professionele 3D-printservice, zeg maar een 3D-drukkerij voor de zakelijke markt, en bij een particulier. Bij het zoeken naar particulieren kun je bijvoorbeeld gebruikmaken van 3D-Hubs, een Nederlandse dienst waarbij een groot wereldwijd netwerk aan 3D-printers is aangesloten. Voordelen: laagdrempelig, veel keuze, makkelijk systeem, betalen via veilige en vertrouwde diensten en vaak snel klaar. Nadelen: je 3D-model komt in handen van degene die het gaat 3D-printen, kwaliteitscontrole is moeilijk, vergelijken is lastig en uiteindelijk blijft het een soort Marktplaats met mensen die kleine goedkope objecten komen ophalen (of laten versturen).

Resultaten
We selecteerden de hub die bovenaan het lijstje stond, omdat hij scherp geprijsd was, snelle levering beloofde én een hoge gemiddelde reviewscore had. Deze aanbieder, Alain van Hanegem, nam de order snel aan, communiceerde snel en leverde ook nog eens foto’s van het 3D-printen van de bestelde objecten. Hij leverde al na een dag en tegen een scherpe prijs. De raamklem en de sleutelhanger kosten ons €4,26 respectievelijk €0,81. Hier komen dan nog €5 opstartkosten en €4,95 verzendkosten bij.

De zwarte raamklem is geprint door Dick,
de lichtblauwe door Alain
en de donkerblauwe door Oceanz

De kwaliteit is prima, gewoon wat je mag verwachten van een FDM-geprint (licht)blauw PETG-plastic object. Geprint op een Ultimaker, een veelgebruikte desktop-3D-printer.

We vergeleken Alains 3D-printjes met die van onze eigen FDM-specialist, Dick Potharst. Hij printte beide objecten, deze keer in het zwart, op een Zortrax, een machine die in veel opzichten vergelijkbaar is met de Ultimaker. Voor de kenners: er is ook een aantal belangrijke verschillen tussen de deze twee 3D-printers. Beide 3D-printers leveren echter een vergelijkbaar resultaat op.

Veel meer verschil ontstaat er als je overstapt van FDM (filament-extrusie, zeg maar gesmolten plastic draad die in geometrische patronen wordt neergelegd door een printkop) naar SLS (het laser-sinteren van een zeer fijn nylon poeder). De derde batch die we lieten printen, werd geprint door het bedrijf Oceanz. Deze 3D-drukkerij heeft grote, dure industriële SLS-printers staan. Hiermee worden industriële en medische objecten 3D-geprint.

Het donkerblauwe raamklemmetje is in een sterk nylon 3D-geprint door dit bedrijf. De kosten? €5,13 voor de raamklem, €1,14 voor de sleutelhanger. De opstart- en verzendkosten bedragen €6,50 respectievelijk €4,60.

Conclusie
Ook als je zelf geen 3D-printer hebt, is het tegenwoordig niet moeilijk of duur om iets te laten 3D-printen. Het type 3D-printer en het soort materiaal dat we kozen in dit experiment, volstaat prima voor het onderdeel. De afwerking verschilt iets, voornamelijk doordat je bij de FDM-geprinte objecten de laagjes die zo typisch zijn voor 3D-printen, meer ziet. Bij de laser-gesinterde (SLS) voorwerpen, ziet het er al een stuk strakker uit. Met andere materialen en technieken kun je inmiddels ook spuitgietkwaliteit evenaren.

Laat je niet ontmoedigen door de wereld aan mogelijkheden, ingewikkeldheden, jargon, materialen en prijsverschillen. Je kunt het zo ingewikkeld maken als je zelf wil, maar als je begint bij het begin en spelenderwijs simpele, zinvolle dingen maakt, raak je vanzelf geïnspireerd. Voor je het weet, staat je huis vol met prachtige kunstwerken, wereldschokkende uitvindingen en schitterend ontworpen producten. Of een heleboel plastic rommel, dat kan ook…