3D-printen: de derde industriële revolutie

Het wordt de belangrijkste uitvinding sinds de drukpers genoemd: de 3D-printer. Produceren wordt volledig gedigitaliseerd via slimme software en de maakindustrie kan voor het eerst op grote schaal gepersonaliseerde producten leveren. Nederland doet dapper mee.

De nieuwe vloer ligt er al, er moeten nog enkele muren worden verplaatst en elektriciteitsleidingen worden aangelegd, maar dan kan in Long Island City bij New York ’s werelds grootste 3D-printerfabriek officieel in gebruik worden genomen. Er komen dertig tot vijftig printers te staan, goed voor drie tot vijf miljoen geprinte producten per jaar.

Burgemeester Michael Bloomberg, die met het doorknippen van een lint met een – wat anders? – uitgeprinte schaar de Factory of the Future onlangs voor geopend verklaarde, wil dat de Big Apple het Mekka van 3D-printen wordt. Hij spreekt over een opwindende nieuwe industrie ‘die een revolutie betekent voor hoe we producten vervaardigen’.

De fabriek is een stukje Nederlandse trots, want initiatiefnemer Shapeways kwam in 2007 voort uit een incubatorprogramma van Philips voor innovatieve producten. Onderzoek wees uit dat consumenten steeds minder tevreden waren over massa-artikelen en producten zouden willen personaliseren. De elektronicafabrikant maakte zelf al langer gebruik van apparaten die driedimensionale objecten laag na laag opbouwen, met gel of vloeistoffen die snel stollen.

Om klanten te bereiken, werd enkele jaren geleden een website opgetuigd waar klanten hun eigen 3D-ontwerpen kunnen uploaden, of bestaande ontwerpen personaliseren. Shapeways drukt de ontwerpen vervolgens op bestelling. Het idee was om het proces zoveel mogelijk te automatiseren, zodat alleen nog het verpakken en versturen van de ontwerpen met de hand moest worden gedaan. Vandaag de dag heeft Shapeways ruim tweehonderdduizend geregistreerde gebruikers.

Al enige tijd zit de Nederlandse medeoprichter Peter Weijmarshausen met 27 werknemers in een kantoor in hartje Manhattan. Via de webcam toont hij zijn jongste 3D-modellen: “We kunnen sinds kort ook in keramiek printen, je kunt bij wijze van spreken je eigen espressokopje ontwerpen.”

IKEA
Shapeways is ontstaan in een tijd dat 3D-printers nog niet echt betaalbaar waren, maar daarin is inmiddels verandering gekomen. Dit najaar was de Amerikaanse Cube3D-printer tijdens de Drie Dwaze Dagen van de Bijenkorf te koop voor een sterk verlaagde prijs van 1050 euro. Die primeur had de winkel te danken aan het Amsterdamse bedrijf Freedom Of Creation (FOC), dat vorig jaar door 3D Systems, de fabrikant van de Cube3D, is ingelijfd. FOC maakt met grotere 3D-printers al langer objecten op bestelling voor klanten, maar gaat nu steeds meer eigen producten ontwikkelen, samen met het hoofdstedelijke Freshfiber, dat iPhone-hoesjes uit de 3D-printer laat rollen (te koop in de Apple Stores).

Productmanager Bram de Zwart demonstreert de Cube3D in zijn kantoor, een moderne variant van de spinmachine: aan het verrassend kleine apparaat is een cartridge zo groot als een filmblik bevestigd waaruit een lange plastic draad komt. De printkop verwarmt het plastic tot het vloeibaar is. Door het plastic vervolgens in dunne laagjes op elkaar te leggen, kan de printer bijna elke vorm printen.

Toegegeven: 3D-printers staan nog in de kinderschoenen. Op dit moment rolt er meestal maar één materiaal en één kleur uit de printer en assemblage van onderdelen is technisch nog erg lastig. Toch spreken ze wereldwijd tot de verbeelding. Ook al was het een publiciteitsstunt, FOC heeft verschillende Cube3D-printers bij de Bijenkorf verkocht. Zelf heeft De Zwart een serie demonstraties op het mediafestival voor de jeugd Cinekid gegeven. Ook daar was de belangstelling groot. “Ik ben ervan overtuigd dat kinderen straks hun eigen speelgoed maken.”

In de Verenigde Staten zijn nu een kleine negentigduizend van dit soort printers verkocht. Belangrijkste producent daar is MakerBot Industries. Dat (New Yorkse) bedrijf begon in april 2009 met de verkoop van bouwpakketten en heeft inmiddels al honderden mensen in dienst met een eigen toonzaal in het hart van New York City.

De makers van het Kickstarter-project FORM 1, een betaalbare professionele stereolithografieprinter, haalde in drie maanden niet minder dan 2,9 miljoen dollar op en was daarmee het beste Kickstarter-project ooit in de categorie technologie.

Er zijn sinds kort ook open source-printers zoals die van RepRap. Het Britse apparaat inspireerde Nederlander Erik de Bruijn tot het maken van eigen 3D-printer-zelfbouwpakketten onder de naam Ultimaker. Zijn Gelderse bedrijf Ultimaking heeft nu al duizenden klanten, zelfs helemaal in de Verenigde Staten en Australië, en 27 medewerkers. Opvallend is dat het zelfbouwpakket, dat geleverd wordt met de nadrukkelijke waarschuwing dat ‘als je geen IKEA-meubels in elkaar kunt zetten, dit niks voor jou is’, niet beschermd is. Het bedrijf zet alle bouwtekeningen op internet, zodat anderen die kunnen verbeteren of verfijnen.

De Bruijn vindt dat zijn product, bedoeld voor de professionele markt, de allerbeste kwaliteit levert. “De kwaliteit van de 3D-printers loopt eerlijk gezegd nogal uiteen, daarom raad ik het consumenten op dit moment nog niet aan. We leveren niet voor niets een bouwpakket. Als je het zelf in elkaar moet zetten, weet je ook of het goed werkt.”

Bikini
Er zijn meer Nederlandse kapers op de kust. In Alphen aan den Rijn richten oud-studenten Martijn Otten en Maarten Logtenberg zich met hun Leapfrog 3D-printers eveneens op de professionele ontwerper. De Leapfrog Creatr (vanaf 1250 euro) is met zijn strakke aluminium kast volgens de beide oprichters een ‘aanwinst voor het bureau’, anders dan zijn plastic en zelfs houten concurrenten. Op de grafische beurs Drupa in Düsseldorf werd het Nederlandse product onlangs aan potentiële klanten getoond. Otten wil niet zeggen hoeveel exemplaren zijn bedrijf heeft verkocht, “maar wij maken er honderd per maand en onze omzet verdubbelt elke twee maanden.”

Hij denkt dat 3D-printen vooral handig kan zijn voor het maken van prototypes. Het maken van mallen is nu eenmaal duur. Maar Otten verwacht ook dat over enige tijd reserveonderdelen uit de printer rollen. Teenage Engineering, maker van de OP-1 Synthesizer, laat zijn klanten al zelf vervangende onderdelen printen. Het versturen van losse onderdelen is veel te duur voor het bedrijf.

Eigenlijk kun je het zo gek niet bedenken of je kunt het printen, zegt Bram de Zwart van FOC. Hij studeerde in 2009 af op 3D-printen aan de TU Delft en was verbaasd dat veel docenten de technologie uitsluitend geschikt achtten voor prototypes. “Dat stadium zijn we allang voorbij.” Hij wijst op geprinte functionele tassen die de mode-industrie behoorlijk nerveus hebben gemaakt. Continuum Fashion en Shapeways hebben gezamenlijk een 3D-geprinte bikini ontworpen. Onlangs rolde ook al de eerste 3D-geprinte gitaar uit de printer, en ook onderdelen van koptelefoons zijn al geprint.

De techniek wordt nu al gezien als de belangrijkste technologische ontwikkeling sinds de introductie van het elektronische rekenblad VisiCalc, waarmee computers begin jaren tachtig serieuze zakelijke instrumenten werden. De vervoersstromen zullen door deze manier van printen drastisch wijzigen, zo is de verwachting. Het voorspellen van de vraag is niet meer nodig. Voorraadbeheer verschuift van eindproducten naar basisgrondstoffen en halffabricaten. Voorraden slinken.

Schaalgrootte wordt niet meer dwingend opgelegd door hoge ontwikkel- en productiekosten. Net als bij print on demand hoeft het product alleen geprint te worden als het besteld wordt. Grootste voordeel is dat ontwerpers klein kunnen beginnen, zonder hoge investeringen. “Bij massaproductie is dat precies andersom”, aldus De Zwart. “De investeringen zijn in het begin hoog, maar de kosten om de producten te maken gaan omlaag naarmate je er meer van verkoopt.”

Hij ziet een toekomst waarbij de productie niet meer hoeft te worden uitbesteed aan lagelonenlanden. 3D-printshops zouden juist dicht op de consument kunnen zitten, desnoods in winkels. Het zou het begrip co-creatie, het samen met de klant producten maken, een nieuw elan kunnen geven. De grootste frustratie van de CEO van Shapeways is dan ook de lange levertijd van zijn producten. “Wij willen net als Amazon straks binnen een dag kunnen leveren.”

Zijn nieuwe printfabriek zal producten in elk geval al een stuk sneller kunnen leveren. Het lijkt weer op het oude model, gecentraliseerde productie aan de Amerikaanse oostkust, maar dat spreekt hij tegen. “We decentraliseren juist. We hebben productiefaciliteit in Eindhoven en nu hier in New York. Ik sluit niet uit dat we op meer locaties gaan zitten.” Bang voor het groeiende leger thuisprinters is hij niet, zegt hij. Een 3D-printer zal niet tot de basisuitrusting van elk huishouden behoren. “Niet iedereen wil zelf printen, daarnaast zijn de technische mogelijkheden van die printers beperkt. En massaproducten blijven gewoon bestaan.”

Consolidatie
Uitdagingen zijn er volop: op het jaarcongres van de Nederlandse Vereniging voor Rechtspraak werd 3D als het belangrijkste nieuwe aandachtsgebied genoemd. Een Amerikaanse hobbyist gebruikte zijn 3D-printer om een aanvalswapen van Colt te bouwen. Hij drukte alleen het onderstel af, maar zelfgeprinte wapens liggen al binnen handbereik. Een andere Amerikaan downloadde recentelijk de blauwdrukken van het semiautomatische AR-15 model, dat populair is bij Amerikaanse politiediensten. Wie kan of gaat dat verbieden?

Stephan Grimmelikhuijsen, verbonden aan Overheid 2.0, drong onlangs in de Volkskrant aan op hernieuwde regelgeving rond 3D-printen. De overheid moet volgens hem niet afwachten en stil blijven zitten, maar nu al nadenken over bestuurlijke, maatschappelijke, juridische en economische gevolgen van deze industriële revolutie. 3D-printen kan bijvoorbeeld een effect hebben op allerlei processen. Zo wordt dienstverlening nog verder ontkoppeld van plaats en tijd. Ook Grimmelikhuijsen denkt dat het weer aantrekkelijker wordt om de productie dicht bij huis te laten plaatsvinden. “Kan Nederland een voorloper worden op het gebied van deze slimme manier van produceren? Beleid zou erop gericht moeten zijn om bedrijven te stimuleren.”

Op dit moment is de 3D-printermarkt zelf nog flink in beweging. Die wordt nu vooral gekenmerkt door startups, maar het is niet ondenkbaar dat printerfabrikanten als HP, Epson of Lexmark de stap naar 3D-printen zetten en de kleintjes uit de markt drukken. Hetzelfde geldt voor onlinewarenhuis Amazon, dat gepersonaliseerde producten zou kunnen gaan verkopen.

Een consolidatieslag is reeds gaande. Pionier Stratasys, dat eind jaren tachtig groot is geworden met rapid prototyping – de machinale voorloper van de 3D-printer – nam vorig jaar branchegenoot Solidscape over voor 38 miljoen dollar en ook 3D Systems koopt momenteel het ene bedrijf na het andere op. Weijmarshausen: “Ik zie het vooral als defensief beleid; makers van 3D-printers weten niet goed raad met diensten als Shapeways en Materialise die een veel grotere groep klanten kunnen bedienen.”

De markt voor 3D-producten en diensten groeit in elk geval snel. Volgens het Amerikaanse onderzoeksbureau Wohlers Associates vertegenwoordigt de markt een waarde van zo’n 1,6 miljard dollar. In 2016 is dat naar verwachting 3,1 miljard.

Een recente studie over industriële co-creatie en 3D-printen genaamd ‘Hype, Haarlemmerolie of harde waardecreatie?’ van ABN AMRO is zelfs jubelend over de kansen en mogelijkheden. Het aantal 3D-printers in de wereld is volgens de bank nog bescheiden, vergeleken met het aantal metaalbewerkingsmachines of kunststofspuitgietmachines, maar dat zal snel kunnen veranderen. De transformatie van aanbodgestuurde naar vraaggestuurde productie gaat de industrie volledig op zijn kop zetten, zo voorspelt de bank. Over drie tot acht jaar zal, mede volgens de Gartner Hype Cycle, 3D-printen een volwaardige mainstream productietechniek zijn geworden. China op je bureau.

• Synthetische lever

3D-printen beperkt zich allang niet meer tot plastic voorwerpen. Er zijn voorbeelden uit de vliegtuigbouw waar producten zestig procent lichter zijn geworden door de 3D-printtechniek te gebruiken. Een groep wetenschappers is er onlangs voor het eerst zelfs in geslaagd een synthetische lever te printen.
En Modern Meadow noemt zich ’s werelds eerste producent van geprint kweekvlees, oftewel het kunstmatig laten groeien van weefsel met 3D-printers. Een afgeleide daarvan is kweekleer: grondstof voor schoenen of kleding. Het proces is naast diervriendelijk ook duurzamer.
TNO experimenteert al enkele jaren met de 3D-printer voor voedsel. De 3D Food Printer lijkt op een koffiezetapparaat, maar kan verschillende etenswaren fabriceren, als een soort geautomatiseerde slagroomspuit. De chef-kok kan voorlopig nog blijven, maar het begin is er.

• Ruimtevaart

Het Amerikaanse leger werkt momenteel aan een eigen 3D-printer voor zijn ruimtevaartdivisie. Het bedrijf hoopt op die manier sneller en goedkoper uit te zijn als er gevoelige onderdelen moeten worden vervangen. Niet in de ruimte, maar gedurende de diverse testfases op aarde.
De in-huis ontwikkelde printer kost om en nabij de zevenhonderd dollar; een kwart van de aanschafkosten van een commerciële printer voor dit soort onderdelen. Het lichtgewicht apparaat past in een rugzak en kan indien gewenst zijn eigen reserveonderdelen in 3D uitprinten.

• Copyright

Copyright op geprinte producten is een heikel punt. Zeer recentelijk is een octrooi toegekend voor een Manufacturing Control System. Daarbij moet de 3D-printer eerst toestemming vragen vooraleer het een artikel mag printen. “We hebben de eerste take down notices in de industrie al achter de rug”, signaleert Peter Weijmarshausen van Shapeways. “Als iemand bij ons een figuurtje van Disney wil printen, moeten we de opdracht helaas weigeren. De markt begint volwassen te worden, maar we moeten wel zorgen dat we elkaar niet te veel met regels in de weg gaan zitten.”

*) Dit artikel verscheen in het novembernummer van Emerce magazine (#118)