3D-printing

3D-printing is een productiewijze waarin van een digitaal ontwerp een driedimensionaal fysiek object wordt opgebouwd uit laagjes materiaal. 3D-printing wordt steeds gewoner, en er zijn ook al praktische toepassingen in de zorg. Het wordt bijvoorbeeld gebruikt voor het maken van implantaten. 3D-printing maakt het mogelijk producten op maat te maken. Ook leidt het tot productie dichter bij huis en daarmee tot minder vervoer, en tot minder verspilling. Een nadeel van 3D-printing is dat de overheid, door de decentralisatie van het productieproces, burgers lastiger kan beschermen tegen onveilige situaties en inferieure producten.

Wat is 3D-printing?

3D-printing is een productiewijze waarin van een digitaal ontwerp een driedimensionaal fysiek object wordt opgebouwd uit laagjes materiaal. Het kan hierbij gaan om verschillende materialen, zoals keramisch materiaal, metalen, hout, polymeren, metaallegeringen, voedsel, glas en menselijk weefsel. De laagjes kunnen op verschillende manieren worden aangebracht. Er kan gebruik worden gemaakt van gesmolten materiaal dat uithardt op kamertemperatuur, maar ook van poeder dat wordt hardgemaakt door laser of UV-licht, of bijeen wordt gehouden door een bindmiddel. Het materiaal kan worden aangebracht door middel van een spuit (vergelijkbaar met inkjetprinten) of in een bed van granulair materiaal selectief worden gesmolten (1). De objecten die geprint worden, kunnen heel klein zijn, zelfs op nanoschaal (2). Dat is duizend keer zo klein als een haar. Het kunnen ook meters grote objecten zijn. Zo worden er bijvoorbeeld huizen en bruggen geprint. De ontwerpen kunnen op verschillende manieren worden ingevoerd in de printer. Naast professionele ontwerpsoftware programmatuur, zijn er meer gebruikersvriendelijke manieren, waarbij de computer een 3D-ontwerp maakt op basis van foto’s.

3D-geprinte objecten steeds gewoner en op maat gemaakt

Al meer dan een decennium geleden werden 3D-printers gebruikt, toen nog overwegend door ingenieurs en ontwerpers voor het snel en goedkoop maken van prototypes, functionele modellen, gietvormen of presentatieobjecten. Nu wordt de techniek steeds meer toegepast en neemt het 3D printen van voorwerpen fors toe. Voor bedrijven kan 3D-printing een goede manier zijn om producten in kleine volumes te maken in plaats van massaproductie (3). Individuele cliënten en patiënten kunnen dan producten op maat krijgen. Dat gebeurt bijvoorbeeld al met steunzolen en hoortoestellen. Steeds meer consumenten hebben thuis een 3D-printer staan (4). Anno 2017 zijn printers voor thuisgebruik te koop voor minder dan 2000 euro. Ze zijn dan ook steeds vaker bij mensen thuis, op scholen en op het werk te vinden. Er wordt op dit moment veel geëxperimenteerd met 3D-printing. Er zijn online platforms waarop consumenten advies en tips krijgen voor het gebruiken van 3D-printers. Het is de vraag wat en in welke mate mensen in de toekomst zelf printen in de thuissituatie. Een Amerikaanse student printte zijn eigen orthodontische beugel nadat hij constateerde dat hij een orthodontist niet kon betalen (5). Rond dezelfde tijd liep er een professionele studie of het überhaupt mogelijk was een orthodontische beugel te printen (6). Mede als gevolg van vele experimenten kan het printen van 3D-objecten een hoge vlucht nemen. Bedrijven kunnen de voordelen van schaalgrootte en personalisering combineren. Dan printen consumenten niet zelf, maar sturen zij een printopdracht naar een gespecialiseerd bedrijf (4).

3D-printing vermindert mogelijk de CO2 uitstoot en leidt tot minder verspilling

Wanneer productieprocessen dichter bij huis plaatsvinden, is het denkbaar dat het aantal vervoerskilometers afneemt. Dat heeft een positieve invloed op de CO2 uitstoot en is goed voor mens en milieu (3). Dit positieve effect wordt teniet gedaan wanneer mensen bestellingen verder weg plaatsen, omdat men bijvoorbeeld elders, buiten Europa, gespecialiseerd is in het printen van een bepaald product. In geval van thuisgebruik van 3D-printers moet er ook rekening mee worden gehouden dat het printen van kleine kunststof objecten veel energie kost. Zuinig omgaan met materialen is ook een voordeel van 3D-printen. Er kunnen minder massieve, maar toch stevige, constructies tot stand worden gebracht. Voor de 3D-geprinte fietsbrug van gewapend beton, die in juni 2017 in Eindhoven werd gebouwd, was aanmerkelijk minder beton nodig dan voor conventionele fietsbruggen. Omdat de productie van beton een aanmerkelijke CO2-uitstoot met zich meebrengt, was deze aanpak gunstig voor de emissiecijfers. In China komen al complete huizen uit de 3D-betonprinters.

3D-printing wordt al toegepast in de klinische praktijk

3D-printing wordt momenteel in de klinische praktijk gebruikt voor implantaten ter ondersteuning van botvorming, tandprothesen, hulpmiddelen als hoortoestellen en lichaamsdelen zoals schedelstukken, kaken en hartkleppen (7). Door middel van een 3D-scan kan er bepaald worden welke vorm en afmetingen een hulpmiddel of prothese moet hebben. Een 3D-printer kan vervolgens een implantaat of prothese op maat printen. Verwacht wordt dat 3D-printing meer en meer een plaats vindt in de zorg voor patiënten (8). Het printen van menselijk weefsel (9), staat nog in de kinderschoenen en kent grote technische uitdagingen (10, 11, 12). Bij dit zogenoemde bioprinten worden driedimensionale samenstellingen van levende cellen, materialen en groeifactoren door een 3D-printer gemaakt. De meeste ontwikkelingen op het gebied van 3D-bioprinting die tot nog toe beschreven zijn, zijn in vitro (buiten het lichaam) uitgevoerd. De eerste proof of concept studies voor in vivo bioprinting zijn al wel gerapporteerd. Hierbij worden cellen of weefsels direct in of op het lichaam geprint. 3D-bioprinten is een hulpmiddel voor reconstructie en niet het ultieme panacee voor weefseldefecten. Er zal nog veel onderzoek gedaan moeten worden naar tissue engineering en 3D-bioprinten voordat deze technieken daadwerkelijk toegepast kunnen worden in de kliniek (10).

Testen van consumentencosmetica drijvende kracht voor 3D-bioprinten

Een drijvende kracht achter een groeiende interesse voor 3D-bioprinten is het verbod op dierproeven voor cosmetica in de EU. Deze wet trad in werking in 2013. In 2016 heeft het Europees Hof van Justitie een wet aangenomen waardoor álle cosmetica die op dieren is getest niet langer in Europa mag worden verkocht. Als alternatief voor dierproeven zou geprint weefsel kunnen worden gebruikt om consumentencosmetica te testen. Het printen van levende cellen in weefselstructuren bevindt zich nog in een experimenteel stadium (10, 11, 12).

4D-printing: 3D objecten die van vorm veranderen

Het is mogelijk om zogenoemde ‘smart materials’ te 3D-printen. ‘Smart materials’ zijn materialen die van vorm veranderen in reactie op een externe stimulus, zoals temperatuur, elektriciteit, licht of vocht. Hierdoor kunnen 3D objecten worden gemaakt die in de tijd veranderen (16, 17). Dit kan worden gebruikt in bijvoorbeeld micro-elektronica en bionische objecten, die een taak in het lichaam kunnen uitvoeren (18). Het is ook mogelijk om meerdere materialen te gebruiken voor een 4D-object, waardoor weer nieuwe mogelijkheden ontstaan voor slimme en praktische toepassingen (17). Zo zijn er van vorm veranderende hydrogels. Deze kunnen bijvoorbeeld gebruikt worden bij medicijnafgifte (19). Het is voorstelbaar dat 4D bioprinting een bijdrage gaat leveren aan de ontwikkeling van orgaan-printen op maat (17), of het aanpassen van stamcellen (20). Het is op dit moment moeilijk te voorspellen waar 4D-printen relevant zal worden (16), omdat er nog veel ontwikkelwerk nodig is om 4D-printing in de praktijk toe te passen. Gezien de veelheid aan mogelijkheden lijkt het echter realistisch te verwachten dat er goed bruikbare toepassingen komen.

De positieve invloed van 3D-printing op onze (volks)gezondheid, autonomie en participatie

3D-printing kan een grote impact hebben op de kwaliteit van leven, vooral wanneer het wordt gebruikt om patiënt specifieke implantaten en medische hulpmiddelen te maken (21). Door 3D-printing zal het assortiment aan medische hulpmiddelen toenemen en sluit het beter aan op vragen en behoeften van patiënten. Dit zal mogelijk de beperkingen die mensen ervaren doen afnemen, waardoor zij minder barrières ervaren in participatie in de maatschappij. Het is ook aannemelijk dat 3D-printing nu en in de toekomst een positieve uitwerking heeft op de autonomie van mensen. Naast maatwerk als positieve ontwikkeling is de mogelijkheid om eigen ideeën in producten te kunnen (laten) verwerken positief.

Bescherming tegen risico’s van 3D-printing lastiger dan meer gecentraliseerd ontwerp en productie

Door decentralisatie van de productie kan de overheid burgers minder goed beschermen tegen onveilige situaties en inferieure producten. Centrale kwaliteitscontrole is dan lastiger. Dat geldt zowel voor de controle op het productieproces als op het eindresultaat. Tijdens het smelten van grondstoffen en tijdens het printen kunnen er giftige stoffen vrijkomen en het eindproduct kan gebreken vertonen. 3D-printing roept vragen op over verantwoordelijkheden rond het geprinte product (22). Wanneer iemand bijvoorbeeld een ontwerp van internet downloadt, het ontwerp aanpast, grondstoffen bij een leverancier koopt en het hulpmiddel print, zijn er vier actoren bij de productie van het hulpmiddel betrokken. De aansprakelijkheidsvraag bij eventueel ontstane schade tijdens het productieproces of door gebruik van dat hulpmiddel kan complex zijn. Diverse wetten en regels, zoals die nu bestaan, kunnen van toepassing zijn. Denk bijvoorbeeld aan de gevaarlijke stoffen- en Arbowetgeving, de machine richtlijn en de richtlijnen voor medische hulpmiddelen. Bij het opstellen van de huidige regelgeving is nog geen rekening gehouden met het op grote schaal toepassen van decentrale 3D-printing. Het is daarom nog maar de vraag of deze ook goed toepasbaar en effectief zal blijken in de toekomst.