De veelzijdigheid van 3D‑printen: Growth Printing, robotica en meer

Additive Manufacturing heeft een lange weg afgelegd sinds Dr. Hideo Kodama in 1981 voor het eerst het idee introduceerde om te printen in lagen in plaats van spuitgieten. Sindsdien is er een gestage stroom baanbrekende vooruitgangen geweest die hebben geleid tot de evolutie van dit moderne productieproces. Nu staat de veelzijdigheid van 3D‑printen klaar om verder uit te breiden dankzij enkele innovatieve concepten die de markt betreden. Dit is wat u moet weten.

Voorbij maatwerk: de uitbreidende mogelijkheden van 3D‑printen

3D‑printers kunnen veel meer dan alleen op maat gemaakte vormen creëren. De 3D‑printers van vandaag kunnen metaal, nieuwe composieten, werkende elektronica en zelfs menselijke organen printen. Al deze ontwikkelingen blijven leiden tot verdere innovaties in de sector die de technologie verder vooruitstuwen. Hieronder staan enkele recente doorbraken in 3D‑printen die de industrie naar een hoger niveau kunnen tillen.

3D‑printen in robotica: een nieuw tijdperk van actuatoren

Wanneer u denkt aan 3D‑geprinte robotica, stelt u zich waarschijnlijk een metalen 3D‑printer voor die robotonderdelen produceert die later nog moeten worden geassembleerd voordat ze functioneel zijn. Hoewel deze aanpak volledig mogelijk is, zou ze alleen zinvol zijn als de geprinte robotica op kleine productieschaal of als eenmalige maatwerk nodig is.

Een beter gebruik van 3D‑printen in robotica is het creëren van actuatoren. Actuatoren zijn de systemen die in werking treden wanneer u delen van een robot beweegt. Ze bestaan meestal uit een soort elektrische servo die werkt zodra er stroom wordt aangelegd. Het nadeel van deze aanpak is dat servomotoren zwaar, stijf en complex zijn.

Erkennende deze beperkingen heeft een team van het Empa‑Laboratorium voor Functionele Polymeren zojuist de studie Rapid Manufacturing of High-Permittivity Dielectric Elastomer Actuator Fibers¹ gepubliceerd. Dit rapport belicht een nieuwe benadering voor het maken van kunstmatige spieren die als actuatoren voor robots functioneren. De studie legt uit hoe de nieuwe methode de noodzaak van laag‑voor‑laag batchproductie elimineert.

Dielectrische elastomeer‑actuatoren: vooruitgang in zachte robotica

Het gebruik van continue co‑extrusie‑gebaseerde fabricage maakt het mogelijk dat de 3D‑printer actuatoren produceert die functioneren terwijl ze de kernprincipes behouden, zoals zachtheid en elasticiteit, die bij hun menselijke tegenhangers voorkomen. Concreet krimpen deze eenheden wanneer spanning wordt aangelegd en ontspannen ze naar een uitgezette toestand wanneer er geen spanning is. Deze werking lijkt op hoe uw spieren functioneren.

Bron – Empa

Innovatieve materialen: de dual‑ink‑benadering

De sleutel tot hun ontwikkeling was de creatie van een speciaal type printer en inkt. De inkt moest onder bepaalde omstandigheden gemakkelijk vloeibaar worden, maar zijn vorm, elasticiteit en contractiliteit behouden wanneer het proces voltooid is. De ingenieurs integreerden twee verschillende op siliconen gebaseerde materialen.

Een van de materialen was een geleidend elektrode‑materiaal. De andere laag bestond uit een niet‑geleidend dielektricum. De twee werden gelijktijdig geprint. Opmerkelijk was dat de materialen niet mengden, maar in een kruis‑linkpatroon werden geprint, vergelijkbaar met verstrengelde vingers. Daarnaast werd een speciale nozzle ontwikkeld om de materialen te leveren.

Het resultaat was een ultra‑responsieve actuator die minder weegt dan zijn voorgangers en geen bewegende delen heeft. De ingenieurs merkten op dat hun actuatoren in vrijwel elk ontwerp kunnen worden gemaakt om een breed scala aan toepassingen te bedienen. Bovendien kosten ze minder om te printen en hebben ze een langere levensduur dan hun servo‑tegenhangers.

Potentiële toepassingen: van robotica tot geneeskunde

Er zijn verschillende toepassingen voor deze technologie die zich uitstrekken over vele sectoren. De ingenieurs hebben al gesproken over het gebruik van de technologie om dunne, volledig functionele, hoog‑permittieve vezels te creëren die als vervanging kunnen dienen voor menselijke spiervezels bij letsel.

In de toekomst zou u deze goedkope en betrouwbare actuatoren kunnen zien in auto’s, machines en andere sectoren die momenteel afhankelijk zijn van verouderde en inefficiënte alternatieven. Nu streeft het team ernaar de productiekosten te verlagen en nieuwe toepassingen voor deze geavanceerde 3D‑printtechniek te ontdekken.

Growth Printing: een door de natuur geïnspireerde 3D‑printmethode

Ingenieurs van het Beckman Institute for Advanced Science and Technology hebben recent een door de natuur geïnspireerde 3D‑printmethode geïntroduceerd die de noodzaak van speciale apparatuur of mallen elimineert. Het onderzoeks­paper Morphogenic Growth 3D Printing² belooft de kosten van 3D‑printen te verlagen en snellere productie van op maat gemaakte onderdelen mogelijk te maken met geavanceerde polymeren.

Growth Printing is een opwindende ontwikkeling die inspiratie haalt uit de manier waarop bomen in de loop van de tijd groeien. Wanneer u naar een boom kijkt, bent u zich misschien niet bewust dat de groei een combinatie is van genetica en omgeving. Bomen passen voortdurend hun groei in kleine stapjes aan om hun positie te optimaliseren.

Bron – Beckman Institute

Elke laag van de boomgroei is een berekende toevoeging die helpt eventuele beperkingen op zijn locatie te compenseren en de gunstige aspecten te versterken. Deze benadering stelt de boom in staat om tijdens de groei te compenseren en een hoger niveau van stabiliteit en duurzaamheid te bereiken.

Het reactie‑diffusie‑proces: een nieuwe benadering van 3D‑printen

De nieuw gecreëerde 3D‑printmethode werkt door gebruik te maken van het reactie‑diffusie‑proces. In deze aanpak wordt 100 g vloeibare hars, dicyclopentadieen, in een open glazen container van 65 × 65 × 65 mm³ geplaatst. De container wordt vervolgens ondergedompeld in een bekertje van 110 × 110 × 110 mm³ gevuld met ijswater, en het middelpunt van de hars wordt verwarmd tot 70 °C met een cartridge‑verwarmer van 1/8 inch diameter en 2 inch lengte.

AI en computationele modellering in Growth Printing

Een geavanceerd computermodel helpt bepalen hoe de hars langzaam uit de verwarmde pot kan worden getild op een manier die het mogelijk maakt om het in lagen af te koelen tot bepaalde vormen. De software houdt rekening met verschillende factoren en past het tilproces aan om de gewenste vorm te bereiken.

Vervolgens manipuleert een robotarm het extrusiekopje, brengt het uit de verwarmde toestand naar de koele omgeving en laat het in lagen uitharden. Deze lagen houden rekening met zwaartekracht en andere factoren tijdens elke fase van hun toevoeging. Hierdoor kan deze 3D‑printmethode sterkere ontwerpen creëren die meer druk kunnen weerstaan.

Opmerkelijk is dat de ingenieurs het computeralgoritme gebruiken om het ideale doorsnede‑ontwerp van de extrusietip te bepalen, de exacte trajecten met hoekige bewegingen van de tip, of meerdere tips met samensmeltende fronten nodig zijn, en de viscositeit van de hars.

Verbeterde precisie in 3D‑printen via reactie‑diffusie

Interessant genoeg stelt het reactie‑diffusiemodel ingenieurs in staat de vorm van het onderdeel nauwkeurig te voorspellen op basis van de beweging van de verwarmde tip. Het maakt ook mogelijk de eenvoudigste manier te bepalen om een vorm te maken met minimale bewegingen. Samen stellen deze doorbraken ingenieurs in staat sneller bepaalde ontwerpen te 3D‑printen.

Met een DSLR‑camera legden de ingenieurs zijaanzichten van het proces vast. Deze stap hielp het team de temperatuur en andere factoren te verfijnen. Opmerkelijk was dat de groep uitsluitend glazen bekers en een glazen standaard gebruikte die volledige 360‑graden monitoring mogelijk maakte. Ze ontdekten dat hun aanpak sterkere prints sneller produceerde.

Industriële en wetenschappelijke toepassingen van Growth Printing

Er is veel vraag naar snellere 3D‑printtechnologie. 3D‑printers zijn uitstekend geschikt voor het maken van op maat gemaakte onderdelen en kleine series, maar ze hebben tijd nodig om te voltooien. Zelfs de beste methoden vergen uren voor verwerking en uitharding. Het vermogen om snel duurzame vormen en componenten te printen zal een groot voordeel zijn voor vele industrieën.

3D‑printen in de deeltjesfysica: een doorbraak in scintillatordetectoren

Additive Manufacturing is nu klaar om het kwantum‑domein te betreden, dankzij een team ingenieuze onderzoekers van ETH Zürich. De groep publiceerde recent een studie getiteld “Additive manufacturing of a 3D-segmented plastic scintillator detector for tracking and calorimetry of elementary particles“³ die een nieuwe manier introduceert om grootschalige plastic scintillatordetectoren te maken die de onderzoekskosten voor wetenschappers in de toekomst kunnen verlagen.

Wat is een scintillator en hoe verbetert 3D‑printen deze?

Scintillatiemateriaal wordt vaak gebruikt in de deeltjesfysica om ontwerpen te maken die neutronenbewegingen kunnen monitoren. Deze systemen zijn een van de belangrijkste manieren waarop onderzoekers ioniserende straling kunnen detecteren. Opmerkelijk is dat deze apparaten neutronen kunnen volgen en de aanwezigheid van röntgenstraling, bèta‑ en gammastraling kunnen bepalen. Als zodanig blijven ze een essentieel onderdeel voor wetenschappers die deze straling willen volgen,

De SuperFGD en de toekomst van deeltjesdetectie

De SuperFGD is de huidige standaard voor scintillatoren. SuperFGD’s zijn zeer complexe apparaten die miljoenen kubussen kunnen bevatten, speciaal ontworpen om geladen deeltjes te detecteren en te volgen. Deze apparaten werken door energieverlies te meten terwijl geladen deeltjes door het apparaat bewegen. Om deze taak te volbrengen, heeft elke kubus een optische vezel ingebed.

Het probleem is dat het vervaardigen van deze cruciale apparaten buitengewoon duur en tijdrovend is. Deze kosten blijven de adoptie belemmeren en de toegang tot deze apparaten beperken. Een nieuwe fused injection modeling (FIM) combineert fused deposition modeling (FDM) en spuitgieten om een betaalbaarder alternatief te creëren. Het mist echter nog steeds iets ten opzichte van recente 3D‑geprinte versies.

Introductie van de SuperCube: een kosteneffectief scintillator‑alternatief

Om hun nieuwe ontwerp te demonstreren, hebben de ingenieurs de SuperCube‑scintillator gemaakt. Dit verbeterde apparaat beschikt over 125 optisch geïsoleerde voxels die de energiepaden van deeltjes kunnen volgen. Het apparaat is gerangschikt in een 5 × 5 × 5‑configuratie, waarbij elke voxel is ontworpen om twee orthogonale golflengte‑verschuivende vezels te huisvesten.

Opmerkelijk is dat deze benadering prestaties levert die gelijkwaardig zijn aan de SuperFGD, maar tegen een fractie van de kosten. Bovendien werd de productietijd voor één voxel geschat op ongeveer 6 minuten, wat veel minder is dan de huidige opties. Het team streeft er bovendien naar deze tijd de komende maanden nog te halveren.

Wetenschappelijke toepassingen: van CERN tot ruimtelijk onderzoek

De toepassing voor deze apparaten omvat wetenschappelijk onderzoek op enkele van de meest prestigieuze locaties ter wereld. Op een dag zouden deze apparaten kunnen opereren bij CERN en op satellieten, waar ze in realtime kosmische straling en andere geladen deeltjes zullen helpen detecteren.

Wat staat er op de agenda voor 3D‑printen? Opkomende innovaties

Er gebeurt momenteel veel in de 3D‑printsector. Dit jaar heeft additive manufacturing in de ruimte plaatsgevonden, met gebruik van meerdere materialen, en zelfs functionele onderdelen met complexe materiaalkombinaties. In de toekomst kunnen nog complexere materiaalinteracties worden bedacht, waardoor werkende producten in één keer kunnen worden geprint. Hieronder staan nog een paar ontwikkelingen die de markt in de komende maanden zullen hervormen.

Holografisch Direct Sound Printing (HDSP)

Ingenieurs hebben een methode ontwikkeld om door muren te printen met behulp van ultrasonische holografie. Het apparaat gebruikt deze golven om vormen te organiseren en te verharden zonder fysiek contact. Deze benadering biedt een manier om ingewikkelde ontwerpen te printen en heeft enkele zeer indrukwekkende toepassingsscenario’s.

Stel u een astronaut voor die een verouderd onderdeel vervangt of repareert op een locatie die bijna onbereikbaar zou zijn zonder dagenlange arbeid. Hoewel dit indrukwekkend lijkt, is het niet zo verbluffend als het idee om naar uw arts te gaan en een orgaan te laten repareren zonder ooit een operatie te ondergaan. Al deze scenario’s zouden mogelijk kunnen worden dankzij de doorbraken in holografisch 3D‑printen.

3D‑geprinte huizen: de toekomst van betaalbare huisvesting en ruimtekolonisatie

Er wordt veel moeite gestoken in het creëren van levensvatbare 3D‑geprinte huizen. Deze technologie zal de kosten van huisvesting hier verlagen en de mogelijkheid openen om de ruimte te koloniseren. Ingenieurs zien het gebruik van deze printers voor het bouwen van habitats met materiaal dat van de planeet zelf afkomstig is, waardoor de kosten nog verder dalen.

Deze strategie is logisch wanneer u bedenkt dat het duur is om bouwmaterialen de ruimte in te brengen. De beste optie is een speciaal gebouwde 3D‑printer te gebruiken voor constructie in deze scenario’s. Een andere 3D‑printer zou ook speciale gereedschappen en andere benodigdheden kunnen maken om het proces te stroomlijnen.

De opkomst van 4D‑printen: vorm‑veranderende structuren

Growth Printing en andere ontwikkelingen openen de deur naar de 4D‑printrevolutie. 4D‑printen verwijst naar het printen van onderdelen die van vorm kunnen veranderen. Beschouw 4D‑geprinte onderdelen als een print die 1D‑strengen in staat stelt te transformeren naar 3D‑vormen. 4D‑printen wordt door veel analisten gezien als de toekomst, met de mogelijkheid om op een dag protheses te maken die met de drager meegroeien of oplossen nadat ze niet meer nodig zijn.

De ongeëvenaarde veelzijdigheid van 3D‑printen

Naarmate 3D‑printen evolueert, is het de beste optie geworden voor veel van de hedendaagse producten. De flexibiliteit en veelzijdigheid van 3D‑printers stellen ingenieurs in staat voortdurend nieuwe en opwindende manieren te bedenken om te creëren met behulp van laag‑voor‑laag methoden. Deze nieuwste ontwikkelingen zullen de grenzen verder verleggen en een nieuw tijdperk van 3D‑printgemak inluiden.

Leer meer over andere spannende 3D‑printprojecten nu.

Gerefereerde studies:

^{1. Danner, P. M., Pleij, T., Liechti, F., Wolf, J., Bayles, A. V., Vermant, J., & Opris, D. M. (2025). Rapid manufacturing of high-permittivity dielectric elastomer actuator fibers. Geavanceerde Materiaaltechnologieën. https://doi.org/10.1002/admt.202500190}

^{2. Kim, Y. S., Zhu, M., Hossain, M. T., Sanders, D., Shah, R., Gao, Y., Geubelle, P. H., Ewoldt, R. H., & Tawfick, S. H. (2025). Morphogenic growth 3D printing. Geavanceerde Materialen, 37(12), Artikel 2406265. https://doi.org/10.1002/adma.202406265}

^{3. Kieseler, J., & Canelli, F. (2025). Additive manufacturing of a 3D-segmented plastic scintillator detector for tracking and calorimetry of elementary particles. Communicatie‑Engineering, 4(1), Artikel 371. https://doi.org/10.1038/s44172-025-00371-z}