Onderwijs in relatie tot P2P/Rapid prototype technologie

Rapid prototype Technologie is een verzamelbegrip voor het snel vervaardigen van fysieke prototypen (van Lieshout, 2014).

Men gaat uit van een CAD ontwerp (technische tekening op de computer) die men dan zal omzetten naar een driedimensionaal object. Er zijn verschillende manieren om tot zo'n object te komen, maar in de meeste gevallen zal men dit laag per laag opbouwen. Dit opbouwen is zeer duidelijk te zien bij de 3D-printer. Hier zal men driedimensionale voorwerpen afdrukken door het laag na laag opbouwen van een 3D-model (Bauwens & Lievens, 2013).

In dit artikel zal er vooral gefocust worden op de 3D-printer omdat dit een goed beeld geeft van hoe rapid prototype technologie werkt.

Rapid prototype technologie en P2P

Volgens Bauwens en Lievens (2013) werd immateriële peer-to-peer productie mogelijk, doordat computers betaalbaar werden en zo de kennisarbeider zijn eigen 'productiemiddel' in huis had. Een kennisarbeider kon hierdoor bijdragen aan projecten zoals Wikipedia. Het maken van een CAD ontwerp is ook een voorbeeld van immateriële productie. Als nu ook de materiële productiemiddelen betaalbaar worden (of worden gefinancierd door crowdfunding), dan kan men wat normaal op globaal niveau wordt geproduceerd, op lokaal niveau produceren. Bauwens en Lievens (2013) zien via deze soort technologie een toekomst waarin een systeem ontstaat, waar materiële productie onder invloed komt te staan van een peer-to-peerdynamiek.

De 3D-printer is zo'n technologie.
 De consument kan in principe bijvoorbeeld een gehele wagen thuis ontwerpen en laten “printen” in een microfabriek (Bauwens & Lievens, 2013). In het P2P-systeem kan dit ontwerp dan toegankelijk worden gemaakt voor iedereen. Iedereen zal dit ontwerp kunnen gebruiken en indien nodig aanpassen naar zijn behoeften of ter verbetering. Dit laatste hoeft niet noodzakelijk te worden gedaan omdat deze persoon ook een wagen wil. Deze persoon kan ook meewerken aan het ontwerpen van duurzame wagens, omdat hij/zij dat interessant vindt om te doen. Men is dus niet gericht op het maken van winst maar op het bijdragen aan iets dat maatschappelijk nut heeft.

Door het gebruik van deze technieken, hoeft men ook niet meer lange tijd te wachten op een nieuwe wagen. De onderdelen kunnen op aanvraag worden gemaakt in een micro-fabriek (Bauwens & Lievens, 2013) die onder andere gebruik maakt van 3D-printers om bepaalde onderdelen te maken. Wagens kunnen zo volledig naar de voorkeur van de consument ontworpen worden. 



Op financieel vlak biedt deze techniek ook voordelen. In onze huidige samenleving hebben we voor de materiële productie van goederen een vrij groot kapitaal nodig. Wil men bv. een wagen bouwen dan is hier heel wat voor nodig. Er worden dure machines gebruikt en teams van mensen die in grote fabrieken werken om een wagen te maken. Dit kost verschrikkelijk veel geld. Wanneer de wagen klaar is en verkocht is, stopt het nog niet. Wagens krijgen gebreken en bepaalde onderdelen moeten van tijd tot tijd worden vervangen. Deze onderdelen worden ook in fabrieken gemaakt, waardoor de productie duur is. Als gevolg zal de consument meer moeten betalen voor een onderdeel, in vergelijking met wat het effectief waard is.


Met 3D-printers kan men deze onderdelen zelf maken. Er werd in de vorige paragraaf toegespitst op de auto-industrie, maar dit kan ook op andere aspecten. Een voorbeeld: de behuizing van een mobiele telefoon is beschadigd. Normaal moet de consument hiermee naar de winkel lopen, zijn toestel laten opsturen, weken wachten en uiteindelijk een groot bedrag neerleggen omdat de opgelopen schade buiten de garantie valt. Met de 3D-printer vallen al deze stappen weg, de consument kan de nodige onderdelen zelf ontwikkelen. Deze manier van werken is een zeer duurzame manier, die afstand wil nemen van de wegwerpcultuur.

Grote bedrijven die enkel gericht zijn op winst, zullen dus plaats gaan ruimen voor de zogenaamde microfabrieken. Doordat deze microfabrieken gebruiken maken van een open ontwerp en 3D-printers, zal er geproduceerd worden volgens de noden van de consument/burger en niet meer volgens het maken van grote winst. Deze werkwijze is op zich al “werken volgens P2P”.

Voorbeeld

3D-printers kunnen op de dag van vandaag ontelbaar verschillende objecten printen. Van behuizingen voor elektronica tot standbeelden. Zelfs onderdelen van machines of wagens kunnen worden afgedrukt met deze technologie.

Het volgende voorbeeld is nog volop in ontwikkeling, maar het zou revolutionair zijn als het in realiteit wordt omgezet. Het is nog toekomstmuziek, die men wel steeds beter en beter kan horen.



Stel dat er zich een auto-ongeluk voordoet. Het slachtoffer heeft hierdoor zijn oor of een deel ervan verloren. Hier kan je dan eventueel een prothese voor laten maken dat zeer dicht bij een werkelijk oor aansluit. Met genoeg make-up zal je het verschil tussen een echt oor en de prothese amper zien. Met de 3D-printer zal men in de toekomst geen prothese maar een echt levend oor kunnen maken.



Biologen zijn bezig met het ontwikkelen van deze “vervangende onderdelen”(TED, 2011). De idee is dat er inkt gebruikt wordt die uit levende cellen bestaat en zo op het menselijk lichaam kan worden bevestigd. 
Als de wetenschap zo ver komt dat er de mogelijkheid is om levende organen te maken (zoals een nier), dan zou dit een ware revolutie betekenen voor de medische wereld.

Theoretische duiding

In het boek van Evans (2012) kan men lezen dat de persoonlijke 3D-printers van vandaag de meeste objecten uit plastic maken. Dit door gebruik te maken van een proces genaamd “fused filament fabrication” (gesmolten gloeidraad fabricage). Plastic gloeidraad wordt opgewarmd en door een dun mondstuk gejaagd zoals bij een lijmpistool terwijl de machine 3D-objecten laag per laag tekent. Wanneer een laagje plastic bovenop een ander laagje wordt gelegd, smelten deze twee lagen samen. Als de lagen zijn afgekoeld vormen ze een duurzaam en vast geheel uit plastic (Evans, 2012). Om dit object te maken heb je wel een design nodig. Dit design wordt gemaakt a.d.h.v. een tekenprogramma waarmee je CAD-tekeningen kan maken (Computer Aided Drafting). Een voorbeeld van zo een programma is “Solid Works”.

Vele 3D-printers die je voor persoonlijk gebruik kan aanschaffen, werken min of meer volgens hetzelfde principe. Deze 3D-printers bestaan uit enkele essentiële onderdelen die hieronder door Evans (2012) worden besproken. De werking van elk onderdeel geeft een beter beeld van hoe het proces precies werkt.

De cartesische robot

Zoals Evans (2012) omschrijft is het centrale idee bij een 3D-printer dat van een “cartesische robot”. Dit is een machine dat kan bewegen in drie lineaire richtingen over de x-, y-, en z-as. Dit systeem wordt ook het cartesisch coördinatenstelsel genoemd. Om dit te doen maakt de printer gebruik van een kleine stappenmotor die kan bewegen met een zeer grote precisie en accuraatheid. Deze motor is computergestuurd (CNC) en kan zo de thermoplastische extruder verplaatsen langs de lineaire assen (pp. 2-3).


De thermoplastische extruder

Zoals Evans (2012) omschrijft, hoort er bij het voorgaande systeem een thermoplastische extruder. Deze moet dunne laagjes van thermoplasten (soort plastic dat smelt wanneer je het opwarmt) neer kunnen leggen. Dit onderdeel wordt wel eens gezien als het meest complexe onderdeel van de 3D-printer. De extruder bestaat eigenlijk uit twee sleutel onderdelen: de gloeidraad aandrijving en het thermisch hete einde.

De gloeidraad aandrijving drijft de gloeidraad (meestal gebundeld in spoelen van 3mm of 1,75mm) aan, door gebruik te maken van een getand aandrijfmechanisme. De meeste aandrijvingen gebruiken een stappenmotor. Dit om de toevoer van gloeidraad in het hete einde beter te controleren. De gloeidraad aandrijving is verbonden met het thermisch hete einde.


Het hete einde is gewoonlijk thermisch geïsoleerd van de rest van de extruder. Het is meestal gemaakt uit een blok aluminium met een ingebed verwarmingselement en een temperatuursensor. Wanneer het plastic het hete einde bereikt, wordt het opgewarmd tot een temperatuur die tussen 170˚C en 220˚C ligt (afhankelijk van het soort plastic). Eens het plastic zich in een semi-vloeibare toestand bevindt, wordt het door een zeer dun print mondstuk gevoerd, om zo laagjes te kunnen leggen op het printbed (p. 3).

Het Printbed

Zoals Evans (2012) omschrijft is het printbed het oppervlakte waar de 3D onderdelen op worden geprint. De grootte hiervan varieert van printer tot printer. De meeste 3D-printers voor persoonlijk gebruik, worden (of kunnen worden) voorzien van een verwarmd printbed. Dit om het kromtrekken of barsten van geprinte objecten te voorkomen wanneer deze afkoelen. Het verwarmde oppervlak zorgt ook voor een betere adhesie tussen de eerste geprinte laag en het oppervlak van het printbed.

Het oppervlak wordt meestal gemaakt uit glas of aluminium, om zo de warmte beter te kunnen verspreiden en een glad oppervlak te creëren. Glas biedt het gladste oppervlak terwijl aluminium de warmte het best zal geleiden. Om te vermijden dat geprinte onderdelen worden opgehesen tijdens het printen, zal men het oppervlak bedekken met een bepaalde soort tape (p. 4).

Het lineaire bewegingssysteem

Zoals Evans (2012) omschrijft zal het type van bewegingssysteem (de mechanische samenstelling dat de beweging over de verschillende assen toelaat) bepalen hoe accuraat de printer is, hoe snel hij kan printen, en hoe veel of weinig onderhoud de printer vraagt over een langere tijdspanne. De meeste 3D-printers voor persoonlijk gebruik zullen gebruik maken van een nauwkeurig geslepen staaf voor elke as en een plastic, bronzen of lineaire kogellager om over elke staaf te glijden. Die laatste is zeer populair om zijn lange levensduur en soepele werking (pp. 4-5).


De eindstoppen

Zoals Evans (2012) omschrijft wordt de afstand dat over elke as kan worden overbrugd, gelimiteerd door mechanische of optische stopeinden. In principe zijn dit schakelaars die de printer vertellen wanneer er een bepaalde limiet bereikt is in een bepaalde richting. Zo kan er worden voorkomen dat er voorbij de limieten wordt bewogen.

Hoewel eindstoppen niet nodig zijn voor de werking, zal er eentje hebben in de minimum positie van elke as, de printer toelaten zichzelf steeds weer naar het begin van elke bewerking te begeleiden. Dit kan handig zijn om bij herhaaldelijke bewerkingen ook steeds een accurate bewerking te verkrijgen (pp. 5-6).

Het frame

Zoals Evans (2012) omschrijft houdt dit laatste onderdeel alle andere onderdelen samen, en vormt zo het constructiedeel van de 3D-printer. Het materiaal en de constructie hiervan, zeggen veel over de accuraatheid van de printer. Het merk MakerBot maakt bijvoorbeeld gebruik van een met laser gesneden soort multiplex, die in elkaar wordt geschroefd om zo het frame te vormen (pp. 6-7).

Externe links

Voor meer informatie over een 3D-printer en hoe het werkt: 
http://www.youtube.com/watch?v=UCI7BgLrk-4



Voor informatie over hoe je een CAD ontwerp kan maken
: http://www.solidworks.com



Voor meer informatie over een bepaald merk van 3D-printers: 
http://www.makerbot.com



Voor meer informatie over wat de negatieve (persoonlijke mening) kant van de 3D-printer kan zijn 
http://www.youtube.com/watch?v=DconsfGsXyA



Voor meer informatie over 3D-printen
: http://www.britannica.com.kuleuven.ezproxy.kuleuven.be/EBchecked/topic/593719/3D-printing

Referenties

Bauwens, M., & Lievens, J. (2013). Alfabetische woorden- en namenlijst. De wereld redden (pp. 189-212). Antwerpen, Belgium: Uitgeverij Houtekiet.

Bauwens, M., & Lievens, J. (2013). De economie van peer-to-peer. De wereld redden (pp. 21-77). Antwerpen, Belgium: Uitgeverij Houtekiet.



Evans, B. (2012). A world of 3D printers. In B. Lowman (Ed.), Practical 3D printers (pp. 1-7). New York, NY: Apress.



TED (2011). Anthony Atala: Printing a human kidney. Retrieved from: http://www.youtube.com/watch?v=9RMx31GnNXY


van Lieshout, L. (2014). Rapid prototyping. Retrieved December 2, 2014, from: https://nl.wikipedia.org/wiki/Rapid_prototyping