De twintigste-eeuwse graficus Maurits C. Escher werd wereldberoemd met zijn absurdistische etsen, die de verbeelding tarten. Ze bestaan vaak uit verschillende coördinatenstelsels die door Escher handig in elkaar werden geknutseld. De vaak zeer gedetailleerde ontwerpen van gebouwen en landschappen lijken onmogelijk uit te printen. Het Technion in de Israelische stad Haifa tekende er toch voor. Letterlijk, door een gespecialiseerd CAD-tekenprogramma te ontwikkelen. Met opvallende resultaten. De gebouwen van Escher komen eindelijk to leven…
Tip: zet het irritante geluid van het filmpje uit.
Begin deze maand is er in de internationale media voor het bericht gekomen dat een Amerikaan erin is geslaagd voor het eerst een werkend pistool te printen: the Liberator. Het is een wapen wat uit 16 onderdelen bestaat waarvan er 15 van kunststof zijn gemaakt die zijn geprint. Het enige niet geprinte onderdeel is een draadnagel of spijker die fungeert als slagpin. Met het wapen is mogelijk om 1 schot te lossen.
In onderstaande video wordt het wapen gedemonstreerd.
Luchtgeweer of vuurwapen?
Het is overigens maar de vraag in hoeverre er hier daadwerkelijk sprake is van een vuurwapen en niet van een luchtgeweer. Vorig jaar is op deze website al een artikel verschenen over het printen van vuurwapens met behulp van een 3D-printer. Als grootste technische uitdaging wordt de drukkamer genoemd die bestand moet zijn tegen hoge gasdruk en de hoge temperatuur die bij de explosie ontstaan.
Er lijkt in ieder geval nu voor het eerst te zijn aangetoond dat het mogelijk is een werkend pistool te printen met een 3D-printer. De volgende stap zal uiteraard zijn om dit ontwerp verder te verbeteren en eventueel ook op termijn te proberen een echt vuurwapen te printen met een drukkamer die tegen eerder genoemde extremen bestand is.
Iets wat echter niet het grootste probleem is. Zoals uit eerder genoemd artikel blijkt zal dat vooral de munitie zijn. Aan een vuurwapen zonder munitie heb je niets en het is maar de vraag of jezelf patronen voor een vuurwapen kunt printen. Je bent bijvoorbeeld buskruit nodig om een explosie te laten plaatsvinden. Als je al een vuurwapen hebt, zul je waarschijnlijk alsnog op een andere manier moeten proberen om aan munitie te komen.
Grondrecht wapenbezit
De jongeman in de video is de 25-jarige rechtenstudent en zelfverklaarde internet-anarchist Cody Wilson die publiekelijk de grenzen opzoekt in hoeverre het legaal is en het geaccepteerd wordt om een zelf een (vuur)wapen te printen. Dit in een land waarin het recht op het dragen van een vuurwapen in de grondwet staat beschreven. In het tweede amendement van Amerikaanse grondwet om precies te zijn. Bovendien is er momenteel ook controverse rondom dit thema in de VS door enkele schietpartijen die er afgelopen jaar zijn gepleegd en zijn geëindigd in bloedbaden. President Obama wil de wapenwet juist aanscherpen en de wapenlobby in het land is hier uiteraard op tegen.
Gevolgen actie Wilson
Wilson zoekt in ieder geval bewust de grenzen door publiekelijk te demonstreren dat het mogelijk is een werkend wapen te printen. Ook heeft hij de blauwdrukken op het internet geplaatst zodat het mogelijk is om zelf het wapen te printen. Blauwdrukken die ondertussen onder druk van de Amerikaanse overheid offline zijn gehaald. Ze zijn echter ondertussen al meer dan 100.000 keer gedownload.
Ook hebben Britse journalisten geprobeerd om een zelf geprinte wapen in onderdelen aan boord van de Eurostar te smokkelen. De Eurostar is een treinverbinding tussen Londen en Parijs. Het is de Britse journalisten gelukt zonder problemen door de Franse paspoortcontrole te komen en binnen 30 seconden het wapen in elkaar te zitten middenin de volle trein. Ze kwamen door de paspoortcontrole door alleen de kunststoffen onderdelen mee te nemen. Onderdelen die niet gedetecteerd kunnen worden door de metaaldetector. Het is dan ook logisch dat overheden en inlichtingendiensten deze ontwikkeling op de voet volgen.
Wilson geeft aan te vrezen voor een celstraf. Overigens heeft de Amerikaanse overheid zelf ook plannen om te experimenteren met het 3D-printen van wapens.
Ongelofelijk maar waar: met een enkele tank brandstof dwars door Amerika rijden. Ook deze nieuwe doorbraak vindt plaats met behulp van 3D-printers. Komt het tijdperk van overvloed, dat cornucopianen als Ray Kurzweil voorspellen er nu eindelijk aan?
Bij lage snelheden is het brandstofverbruik van een auto evenredig aan het gewicht. Maar hoe krijg je het gewicht omlaag zonder een compromis te hoeven sluiten wat betreft veiligheid? Het antwoord: met een 3D-printer. De URBEE 2 zal in staat zijn met een volle tank van 45 liter heel Amerika door te rijden. 3d-printgigant Stratasys leverde de printer, KOR EcoLogic leverde in samenwerking met Stratasys-dochter RedEye On Demand het ontwerp en de technische uitvoering. Het chassis van auto’s bestaat doorgaans uit honderden onderdelen. Het chassis van dit ontwerp bevat slechts veertig losse onderdelen, die alle geprint kunnen worden uit ABS, een thermoplastisch plastic materiaal. Wel moet de motor, batterij en dergelijke nog uit andere bronnen betrokken worden. Het kleine aantalosse onderdelen maakt de uitvoering vrijwel naadloos, waardoor een extreem lage drag-coëfficiënt wordt gehaald: 0,15 en de luchtweerstand dus sterk daalt. Ter vergelijking: een rijdende kubus scoort 1, een bol 0,5.
urbee-1
Hoewel het gewicht slechts de helft is van een conventionele auto, is de bescherming tegen botsingen even groot, vanwege de sterkte van het materiaal waaruit de auto wordt geprint. Het lage gewicht leidt ook tot een extreem laag brandstofverbruik. De bouwers plannen een autorit van Los Angeles, aan de Stille Zuidzee, naar New York City aan de oostkust, op een volle tank met rond de 45 liter benzine. Dit komt neer op een afstand van 4500 km en dus een brandstofverbruik van 1:100. De proef zal worden uitgevoerd met het niet erg milieuvriendelijke bioethanol.
Met deze proef wil Stratasys aantonen dat ook grote oplages hoogwaardige producten kunnen worden geproduceerd met 3D-printers. Uiteraard met de bedoeling om veel 3D-printers te kunnen verkopen aan fabrikanten over de gehele wereld. Het tijdperk van grote overvloed komt steeds dichterbij.
Voor het eerst is iemand er in geslaagd een werkend vuurwapen te printen. Althans: dat deel van een vuurwapen wat volgens de Amerikaanse wapenwetten iets een vuurwapen maakt. Downloaden criminelen straks hun vuurwapens?
Voornaamste technische probleem bij printen vuurwapen: de drukkamer, al opgelost door munitie
De enorme kracht van 3D-printers biedt ook voor mensen met kwade bedoelingen de nodige mogelijkheden. De meest succesvolle terroristische aanslagen worden gepleegd met vuurwapens en explosieven: de reden dat er in de meeste landen strenge wapenwetten en wetten op bezit en gebruik van explosieven bestaan. Om een vuurwapen te fabriceren moet het belangrijkste deel van het vuurwapen, de plek waar de explosie plaatsvindt die de kogel op het doel afvuurt, bestand zijn tegen de zeer hoge gasdruk. 3D-printers werken doorgaans met thermoplastische plastics, plastics die smelten bij temperaturen tussen de 100 en 200 graden. Bij de explosie van een patroon komt er een gaswolk vrij met een temperatuur rond de duizend graden of meer. Munitie bestaat uit een metalen hulsel met daarin een kogel en daarachter de explosieven. Dit betekent dat in principe dit metalen omhulsel als de drukkamer dient. In theorie zou je dus ook kogels af kunnen vuren met een plastic geweer, als de hete gassen maar op tijd kunnen ontsnappen voor ze het geweer kunnen aantasten. Plastic vuurwapens rukken overigens op – op dit moment worden er meer plastic dan metalen vuurwapens verkocht.
Volgens de Amerikaanse wapenwet is dit het eerste 3d-geprinte vuurwapen, beweert maker HaveBlue.
Werkend geprint geweer
Het lijkt erop alsof een wapenenthousiast onder de artiestennaam HaveBlue dit nu daadwerkelijk gedaan heeft. HaveBlue beschrijft hier hoe hij het onderste deel van een werkend vuurwapen uit heeft geprint en hier 200 schoten mee af heeft gevuurd. Er zijn op internet ook meerdere ontwerpen in omloop die op een 3D printer in een vuurwapen kunnen worden omgezet. Voorlopig experimenteerde HaveBlue alleen met de lichte .22 munitie, maar in principe zou bij een steviger constructie 0ok zwaardere munitie kunnen worden afgevuurd.
Wapencontrole nu zinloos geworden: munitie?
In feite wordt het belang van vuurwapens overschat. Een vuurwapen is slechts een soort transportmechanisme waarmee patronen worden klaargezet en geactiveerd. Het werkelijke probleem is munitie. Heeft een crimineel of terrorist eenmaal munitie in handen, dan is het voor de crimineel vrij eenvoudig om hier een wapen bij te fabriceren, bijvoorbeeld met behulp van een draaibank of, nu, een 3D printer. Het is denk ik daarom maar op één manier mogelijk om de verspreiding van vuurwapens tegen te gaan: munitie streng controleren. In feite zou elke doos met patronen uitgerust moeten worden met per patroon een unieke microcode en moeten klanten die munitie kopen, zich identificeren met een paspoort. Uiteraard mogen alleen personen die een wapenvergunning hebben, patronen kopen. Op die manier kan iedere al dan niet afgevuurde patroon geïdentificeerd worden. Dit is een regeling die het liefst wereldwijd, maar in ieder geval in de EU en andere delen van de Europese Economische Ruimte ingevoerd moet worden.
Eerst, voor mensen met weinig tijd, dit spectaculaire filmpje van de Beeb over het printen van een complete fiets met een 3D printer. je kan het zo gek niet bedenken of het kan wel met een voldoend grote 3D printer gefabriceerd worden. Wat zouden de gevolgen zijn als iedereen zijn eigen fiets, of andere gebruiksvoorwerpen, gewoon uit de muur kon halen?
De volgende video (een tip van Douwe), duurt een klein uur. Scott Summit, een industrieel ontwerper, maakt in deze bijna een uur durende video van Singularity University duidelijk hoe 3D-printing, een technologie die nog het meeste weg heeft van de Star Trek replicators, onze wereld op haar kop gaat zetten.
Een reserveonderdeel halen om de hoek is wat minder praktisch als je in een ruimteschip op honderdduizenden kilometers afstand van de aarde zit. Doorgaans is in de ruimte het op tijd vinden van een passend onderdeel letterlijk een zaak van leven en dood.
Gelukkig is er een oplossing: 3D printing.
National Geographic maakte deze video over 3D-printing, een revolutionaire techniek waarmee je in feite beschikt over een complete fabriek op je bureaublad. 3D-printing zal vermoedelijk de maakindustrie net zo grondig op haar kop gaan zetten als desk top publishing en printers dat deden met de grafimedia. Gegeven voldoende grondstoffen en energie kan je zo alles maken wat je wilt.
In deze twee video’s vinden we twee staaltjes van de mogelijkheden van 3D-printing op het gebied van microtechniek. Gegeven voldoende energie en grondstoffen, kunnen er tegen kosten van vrijwel nul onafzienbare hoeveelheden waaardevolle producten worden gefabriceerd. Produceren wordt nooit meer hetzelfde.
In de eerste video, afkomstig van de universiteit van Wenen, een kleine raceauto kleiner dan een mensenhaar. Helaas werkt deze voorzover bekend niet.
In de tweede video een vliegtuigje dat – geloof het of niet, inclusief bewegende delen – in zijn geheel uit de 3D printer is gerold.
Dit huzarenstukje staat op naam van Jim Scanlan van de Engelse universiteit van Southampton. Alleen de microchips en vermoedelijk ook de motor en accu zijn vermoedelijk niet geprint. De totale fabricage kostte een week: twee ontwerpdagen en vijf printdagen. Het team denkt dat toekomstige ontwerpen, variaties op dit ontwerp, in enkele minuten tot stand kunnen komen.
Een pen als 3D-printer. Kijk hoe een 2D-tekening van een bloem op een steen, na de onderdompeling in een oplossing van kalium-persulfaat verandert in een driedimensionale bloem.
3D-pennen bestaan al langer. Ze vormen een soort hand-3D printer, gevoed met een rol 3D-filament dat gebruikt kan worden om vormen in de lucht mee te tekenen.
Deze techniek werkt anders en wel met twee soorten materiaal. De ene soort, de ‘lijm’ (hier: de zwarte inkt), hecht zich zowel aan de ondergrond als aan de tweede soort. De tweede soort, hier rood, bevat een waterafstotend middel en maakt zich daarom los, als de oplossing zich onder de inkt wurmt.
In de oorspronkelijke vorm was de inkt te slap en verloor het voorwerp zijn vorm. De uitvinders verhielpen dit, door ijzer toe te voegen aan de waterafstotende inkt. Deze reageert met de persulfaationen in de oplossing en vormt een hard laagje aan de buitenkant. Dankzij dit laagje behoudt de bloem zijn vorm.
Collega’s elders in de wereld van de Zuid-Koreaanse uitvinders Sumin Lee en Seo Woo Song noemen de ontdekking een doorbraak. Het wordt nu mogelijk om 3D-voorwerpen per briefpost te versturen. De ontvanger kan deze in een ontwikkel-oplossing leggen en het 3D-voorwerp laten drogen. Ook voor de fabricage van elektronica zien ze veel toepassingen. Als het tenminste lukt om elektronische schakelingen mee te printen.
En voor creatieve kunstenaars natuurlijk.
Dit is nog maar een eenvoudig voorbeeld. In de bron staan veel complexere ontwerpen. Zoals vlinders die met hun vleugels kunnen klappen onder invloed van een magnetisch veld.
Atomen zijn precies legoblokjes. Er zijn ongever negentig niet-radioactieve soorten, die, op de juiste wijze aan elkaar geplakt, alles in deze wereld kunnen vormen. 3D printers zijn de voorloper van wat pas echt spectaculaire mogelijkheden biedt: de nanoprinter. Eric K. Drexler, de visionaire denker die de grondslag legde voor nanotechnologie als begrip, visualiseerde in samenwerking met een filmstudio hoe dit apparaat van de toekomst er uit gaat zien.
Overal ter wereld zijn technici al bezig om alle tussenstappen die hierin worden getoond, realiteit te maken. De atomen willen wel, als we ze maar op de juiste plaats brengen. Met deze nanopprinter kan dat in de wat verdere toekomst.
Dit kerkje is opgebouwd uit enkele miljarden losse atomen.
Cocaïne en antibiotica uit de printer? Uit de enkele tientallen chemische elementen worden er misschien zes of zeven zeer vaak gebruikt in de scheikunde: waterstof, zuurstof, koolstof, stikstof, zwavel, fosfor en wellicht chloor (een omstreden element vanwege de milieuproblemen met chloorverbindingen). In principe kan je daarom met een beperkt aantal basischemicaliën iedere denkbare verbinding maken, als je het reactieproces maar verandert. Dit is precies wat chemicus Leroy Cronin van de universiteit van het Schotse Glasgow gedaan heeft. Downloaden we straks van The Pirate Bay illegale bootlegs van dure medicijnen?
Chemische fabriek uit de 3D printer
Het idee van Cronins team is even visionair als simpel. Een 3D printer van nog geen 1600 euro print een chemische productielijn en spuit de chemicaliën op de juiste plaats in het circuit. Handig voor chemici die willen experimenteren met een nieuwe verbinding, maar uiteindelijk wordt zo iedereen met een computer en een 3D printer een chemicus. Scheikunde voor de massa. Kortom: je hoeft wellicht strakt niet meer naar de apotheek voor bepaalde medicijnen, maar kan ze zelf printen. Ideaal voor bijvoorbeeld astronauten, ruimtekolonisten of mensen die ver van de bewoonde wereld aan het werk zijn. Aan de andere kant, ook weer een totaal nieuw terrein voor de politie om in de gaten te houden. Wat als zieke geesten het ontwerp voor een LSD reactor, of nog erger, uploaden en dat aan de man brengen als een circuit voor een hoofdpijnpil?
De printer in actie plus schema van de reactiekamers. Bron: Nature Chemistry (zie bronnenlijst; er is nog meer)
Chemische inkt
Cronin en zijn collega’s gebruikten de open source 3D printer van het Fab@Home project, dat tot doel heeft zelffabricage in de huiskamer te brengen. Ze ontdekten dat een polymeergel die vaak in badkamers wordt gebruikt, kan worden gebruikt om reactiekamers en verbindingsbuisjes van alle denkbare groottes en vormen te printen. Nadat de kit hard is geworden, spuiten de printkoppen de chemicaliën, ‘chemische inkten’, in de reactiekamers. In principe kunnen de afmetingen van de reactor en de chemische ingrediënten om een bepaald product te maken, alle worden ontworpen en in dezelfde software blauwdruk worden opgenomen. Alles wat de gebruiker hoeft te doen is het te downloaden en naar de printer te sturen. De onderzoekers denken aan een online winkel waar je een chemische app voor een bepaalde pil kan downloaden en vervolgens in je eigen 3D-printer uit kan laten printen. Hier kan je ook een standaardset van chemische inkten bestellen. Potentiële gezondheidsgevaren omdat mensen in staat zijn hun eigen medicijnen of drugs te printen kunnen volgens Cronin worden geminimaliseerd. Zijn team schrijft alleen software voor specifieke eindproducten die lastig in andere reacties zijn om te zetten. “We zouden de reacties in het lab hebben uitgetest zodat niemand in staat is ze te hacken.”
Uiteraard is het wel mogelijk met enige chemische kennis zelf je eigen reactor voor bijvoorbeeld cocaïne te ontwerpen en uit te printen. Hier een chemische handleiding van erowid.org (Duits; 1923). U begrijpt, waarde lezer: hiervan beginnen de vingers van een droogstaande chemiegek flink te jeuken.
Reacties controleren door geometrie
Wie wel eens in new-age kringen heeft vertoefd wordt doodgegooid met Heilige Geometrie van een zekere Drunvalo Melchizedek en dergelijke. Welnu, ook reacties kunnen geometrisch beïnvloed worden. Cronin heeft om het principe aan te tonen een eenvoudig blok geprint, bestaande uit twee reactiekamers die met een centrale mengreactor zijn verbonden. Dit was voldoende voor eenvoudige anorganische en organische chemische reacties en om totaal nieuwe (overigens nutteloze) stoffen, complexe anorganische metaalverbindingen, te produceren. De onderzoekers voerden ook de (onder chemici) welbekende katalytische reductie van styreen (waar o.a. piepschuim van wordt gemaakt) uit. Hiervoor werden de katalysatoren op de wand van de reactiekamer geprint. Ook dit bleek aardig te gaan en nadat de geprinte reactiekamer wordt schoongemaakt, kan deze weer worden gebruikt. Door de chemicaliën in een verschillende volgorde met elkaar te mengen, en door de grootte en vorm van reactievaten aan te passen, kunnen totaal andere stoffen worden geproduceerd.
Fundamentele verandering
Cronin wijst er – terecht – op dat dit een radicale verandering betekent wat betreft de manier waarop scheikunde plaatsvindt. Niet langer zijn reageerbuisjes, erlenmeyers en bekerglazen passief, maar worden actieve onderdelen van de chemische reactie. Voor een chemisch technoloog waren ze dat uiteraard al – reactorontwerp is uiterst belangrijk in een chemisch productieproces. Nu komt dit dus ook naar het lab. Dit omdat de uitkomsten van een chemische reactie niet alleen afhangen van de beginingrediënten, maar ook hun onderlinge verhouding en de snelheid waarmee ze worden gemengd. Dit kan worden veranderd door de grootte van de reactiekamers en de afstanden die de chemicaliën moeten reizen te veranderen. Cronin denkt dat hierdoor totaal nieuwe chemische stoffen mogelijk worden: “Als je reactie niet loopt zoals de bedoeling is, dan verander je gewoon de reactor.”
Cronin toonde dit aan door een reactie te herhalen. Hij gebruikte dezelfde hoeveelheid beginmateriaal, maar programmeerde de printer zo dat deze de afmeting van de centrale mengkamer verkleinde. Alleen de reactanten die in de mengkamer terecht kwamen voordat deze vol raakte, namen deel aan de reactie. Voldoende om de producten van de reactie te veranderen. Kortom: geen ouderwets geknoei meer met flesjes en retorten. De mengkamers kunnen ook worden uitgerust met gloeispiralen (die kunnen worden geprint met elektrisch geleidende koolstofinkt) om ze te verwarmen.
Dierproeven niet meer nodig, reactiecontrole met een smartphone en brandgevaar
De mogelijkheid om organen te printen met een 3D printer bestaat al wat langer. Dit biedt een fascinerende mogelijkheid: de effecten van nieuwe medicijnen, bijvoorbeeld eiwitten, uittesten op geprinte organen. Cronin heeft nog meer plannen. Ook een ander onmisbaar accessoire uit de negentiende eeuw, de Bunsenbrander, kan worden vervangen door geprinte gloeispiralen van koolstof- of metaalinkt op bepaalde plekken, die in een magnetron (of door inductie uiteraard) verhit kunnen worden. Met doorzichtig materiaal kan er ook een venster in de reactiekamer geprint worden, waardoor de gebruiker – of een smartphone, waarin een app de camerabeelden analyseert – de voortgang van de reactie kan volgen. Er is wel een nadeel met de huidige opzet. Veel chemicaliën zijn explosief in combinatie met de zuurstof uit de lucht. Cronin had al te kampen met enkele explosies. HIj werkt nu aan een meer inert materiaal voor de reactiekamers, dat de reactiekamers goed afdicht.
Ontwerpen delen
Op dit moment werkt Cronins team aan een kit om de pijnstiller ibuprofen te printen. Immers, zelfs in de landen met de allerbelabberdste medische voorzieningen zijn mobieltjes wijdverspreid. 3D-printers zijn dat uiteraard wat minder, maar er zijn nu al projecten actief om 3D-printers te verspreiden in de derde wereld. Hierdoor kunnen mensen dingen als fietsonderdelen uitprinten, of zelfs complete fietsen, zie hier. De meeste medicijnen en schoonmaakmiddelen bestaan uit koolstof, waterstof en zuurstof, die ook in huid- tuin- en keukenmiddelen als maissiroop, glycerine en paraffine voorkomen. Ook kunnen niet-chemici zelf ontwerpen ontwikkelen en delen met chemici, bijvoorbeeld voor stoffen waar bedrijven nog niet aan hebben gedacht of die niet interessant voor ze zijn. Dit kan ok een uitkomst zijn voor de zogeheten orphan drugs. Dit zijn medicijnen die voor zeer zeldzame ziekten worden gemaakt. Patiënten kunnen straks deze medicijnen zelf produceren. Sommige chemici noemen dit een veelbelovende doorbraak, andere reageren sceptischer. Cronin zelf gelooft in ieder geval rotsvast in zijn idee: “Ik zie voor me dat jaren na nu, mensen medicijnen in hun 3D-printer thuis zullen fabriceren.”
Inderdaad. Deze doorbraak is een essentieel technisch hulpmiddel voor een gemeenschap van zelfvoorzienende mensen.
