Een fabriek op je bureau: driedimensionale printers

Het downloaden en afprinten van alle mogelijke gebruiksvoorwerpen is verre van onmogelijk. Een ‘personal fabricator’ (PF) kan over tien jaar net zo gewoon zijn als een personal computer (PC) vandaag.

De personal computer die vandaag op bijna elk bureau staat, is het resultaat van een lange geschiedenis. De voorloper ervan, de mainframe, zou niet eens in een doorsnee huiskamer passen. Alle onderdelen die nu in miniatuurvorm in een compacte behuizing zitten, waren tot 30 jaar geleden aparte machines die met elkaar verbonden waren. De reusachtige apparaten waren peperduur en konden alleen door een team van experts bediend worden. Vandaag is de rekenkracht van computers gepersonaliseerd.

Een enkeling heeft nu meer computerkracht tot zijn beschikking dan het team experts uit die tijd. Neil Gerschenfeld, directeur van het 'Centre for Bits and Atoms' aan het Amerikaanse Massachusets Institute of Technology (MIT), voorspelt dat hetzelfde zal gebeuren met werktuigmachines - de soms huizenhoge industriële apparaten die in fabrieken producten en machines vervaardigen.

Ook zij zullen zich ontwikkelen tot ‘personal fabricators’, desktop fabriekjes. Het ontwikkelen van een product kan nu alleen gebeuren door een team van designers, ingenieurs, operators, marketeers en managers. Straks kan iedereen zelf thuis elk mogelijk gebruiksvoorwerp fabriceren.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Gerschenfeld doet zijn verhaal uit de doeken in een boek dat in april op de Amerikaanse markt verschijnt: "Fab: the coming revolution on your desktop – from personal computers to personal fabrication". Maar de Amerikaanse professor is geen theoreticus. Zijn verdienste bestaat erin dat hij het al lang bestaande idee van de universele machine voor het eerst in de praktijk brengt.

Fab lab

Om zijn voorspelling kracht bij te zetten, ontwikkelde hij aan het MIT een voorloper van de desktop fabriek, de ‘fab lab’. Alle onderdelen die ooit slechts een onderdeel van een machine moeten worden, zette hij apart op. Gerschenfeld verbond 3 computers met een aantal commerciëel verkrijgbare snijwerktuigen en een freesmachine, en ontwikkelde software om het geheel te besturen. Kostprijs: vanaf 20.000 euro.

In principe kan je er alles mee maken. Met de eenvoudigste computergestuurde snijmachines (een mes op een beweegbare arm) kan je niet alleen plastic snijden, maar ook koper. Dat is ideaal voor het vervaardigen van elektronische circuits, antennes of bedrading. Duurdere snijwerktuigen maken gebruik van lasers of een supersonische waterstroom. Ze gaan, afhankelijk van hun kracht, overal doorheen: dikke platen staal, aluminium, steen, glas of keramiek. Freesmachines hebben een boorkop en kunnen als enige tot op een nauwkeurig gecontroleerde diepte snijden.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

"Het is de bedoeling om na verloop van tijd onderdelen van de fab labs te vervangen door onderdelen die in de fab labs gemaakt zijn. De technologie kan zich dus op eigen houtje verder verspreiden"

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

De gebruiksvoorwerpen die de studenten van Gerschenfeld sinds 1999 met behulp van de fab lab in elkaar knutselden, zijn steevast het resultaat van een erg persoonlijk verlangen – het uit willen schreeuwen op een ongepast moment bijvoorbeeld. Kelly Dobson ontwikkelde een soort rugzak die het geluid van een schreeuw niet enkel dempt, maar ook opneemt en weer kan afspelen.

Een andere studente, Meejin Yoon, fabriceerde een kledingstuk dat andere mensen (mannen?) afschrikt als ze te dicht in de buurt komen, zoals een egel zijn stekels opzet. De drager van de jurk kan de afstand instellen waarbij pianosnaren door middel van motoren en bewegingssensoren in actie moeten komen. Shelly Levy-Tzedek geraakte dan weer nooit op tijd uit haar bed en krikte daarom het IQ van haar wekker op: het luide alarm kan enkel worden afgezet door een behendigheidsspelletje te spelen.

Open source hardware

Sinds 2002 laat Gerschenfeld ook fab labs opzetten in landelijke gebieden in India, Ghana en Costa Rica. Hier zijn de noden elementairder, zoals meetinstrumenten om de kwaliteit van melk of rijst te controleren, of zonnepanelen om energie op te wekken. Met de export van zijn fab labs naar ontwikkelingslanden mag Gerschenfeld gerust een pionier worden genoemd. Dit is wellicht de ultieme vorm van duurzame ontwikkelingshulp, zelf spreekt hij van ‘open-source hardware’. Het is de bedoeling om na verloop van tijd onderdelen van de fab labs te vervangen door onderdelen die in de fab labs gemaakt zijn. De technologie kan zich dus op eigen houtje verder verspreiden.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

"De fab labs grijpen terug naar de tijd van de ambachten, voordat de industriële revolutie de mens vervreemdde van het product van zijn arbeid"

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Uit de zeer uiteenlopende toepassingen in de VS en in ontwikkelingslanden blijkt duidelijk de kracht van de fab labs: er kunnen lokaal oplossingen worden bedacht voor plaatselijke of persoonlijke problemen. De producten worden gefabriceerd door de mensen die ze zullen gebruiken. Dat is in onze hoogtechnologische samenleving vandaag onmogelijk. In feite grijpen de fab labs terug naar de tijd van de ambachten, voordat de industriële revolutie de mens vervreemdde van het product van zijn arbeid. Gerschenfeld beschrijft doorheen zijn boek hoe ook ervaren ingenieurs zich vol kinderlijk enthousiasme op zijn ‘speelgoed’ storten.

Driedimensionale printers

De fab labs van Gerschenfeld zijn niet de enige voorboden van een desktop fabriek. Ook de ontwikkeling van driedimensionale printers is in een stroomversnelling terechtgekomen. Deze machines hanteren een techniek die tegengesteld is aan de industriële snij- en freeswerktuigen die in de fab labs gebruikt worden. In plaats van een object uit een groter geheel uit te snijden, bouwen ze het laag per laag op. In plaats van teksten of foto’s, drukken deze printers voorwerpen af.

Driedimensionale printers kwamen eind jaren tachtig op de markt en worden gebruikt voor het maken van prototypes van nieuw ontworpen producten of verpakkingen. Zo kunnen ontwerpers fouten opsporen alvorens duurdere productiemethoden in te zetten. De systemen maken gebruik van een laser die een polymeer (plastic) of poeder in een beweegbare schuif hard maakt. Als een laag van het voorwerp af is, laat de machine de schuif een beetje zakken en wordt de volgende laag gemaakt. De technieken zijn intussen zo gesofistikeerd dat ze prototypes kunnen afprinten met beweegbare mechanische onderdelen, in alle mogelijke kleuren.

Driedimensionale laserprinters kosten nog altijd een paar honderdduizend euro, maar sinds enkele jaren zijn er ook machines op de markt die gebruik maken van een veel goedkopere technologie: het inktpatroon dat we kennen uit onze gewone, tweedimensionale printers. Uit de kleine gaatjes van deze inktpatronen spuit echter geen inkt, maar een bouwmateriaal. Driedimensionale inkjetprinters worden steeds kleiner, sneller, veelzijdiger en goedkoper. De instapmodellen hebben momenteel de afmetingen van een kantoorkopieermachine en kosten ongeveer 20.000 euro, de prijs van een fab lab. Driedimensionale inkjetprinters bieden niet dezelfde kwaliteit als de veel duurdere 3D-laserprinters, maar als ze de erg concurrentiële markt van de consumentenelektronica betreden, zal de techniek snel evolueren.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

"Driedimensionale printers kwamen eind jaren tachtig op de markt en worden gebruikt voor het maken van prototypes van nieuw ontworpen producten of verpakkingen"

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Een driedimensionale printer is echter nog geen desktop fabriek. Daarvoor moeten de machines ook structurele en functionele materialen kunnen afdrukken. Zelfs de duurste driedimensionale printers kunnen alleen maar voorwerpen in plastic afprinten, goedkope modellen produceren een materiaal dat meer weg heeft van plaaster. Daar bouw je geen duurzame gebruiksgoederen mee. De machines kunnen ook geen elektronica afdrukken, en dus ook geen functionele toestellen. Met alleen de behuizing van een gsm ben je niets.

Inktpatroon

De technologie van het inktpatroon blijkt evenwel veelzijdiger als gedacht. In onderzoekslaboratoria werd het principe intussen met vele andere materialen gedemonstreerd, zelfs staal en titanium. Ook het afdrukken van elektronica blijkt mogelijk te zijn. Moleculaire elektronica, waarbij logische circuits louter uit plastic bestaan, is in volle ontwikkeling. Begin 2003 toonden onderzoekers aan dat je met deze plastic elektronica en een driedimensionale printer volledig geassembleerde elektrische en elektronische gadgets kan afdrukken.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

"De technologie van het inktpatroon blijkt veelzijdiger dan gedacht"

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

De truc is om laag per laag geleidende en halfgeleidende polymeren te printen zodat dat het elektronisch circuit als een deel van de behuizing wordt opgebouwd. Met electroactieve polymeren kunnen ook drukknoppen en displays worden gemaakt, kortom alles wat nodig is voor de productie van een elektronisch apparaat. De capaciteiten van werktuigmachines zouden dus ook op een heel andere manier naar een desktop fabriek kunnen worden vertaald.

De prijs van atomen

Een ‘fab lab’ of een computer met een driedimensionale printer volstaan op zichzelf niet om een gebruiksvoorwerp te fabriceren. Je hebt ook een digitaal ontwerp en grondstoffen nodig.

Het ontwerp kan je, net zoals een ingenieur of de studenten aan het MIT, zelf maken met CAD-software. Je kan ook gebruik maken van een driedimensionale scanner. Die toestellen heb je momenteel voor ongeveer 25.000 euro, al zijn er ook veel duurdere modellen. Ze worden bijvoorbeeld gebruikt voor het inscannen van geboetseerde personages voor gebruik in animatiefilms. In combinatie met een driedimensionale printer kan je dus een voorwerp (of een onderdeel ervan) boetseren in klei, inscannen en vervolgens in plastic laten afdrukken.

Ook wie niet creatief is of wil zijn, kan naar hartelust voor producent spelen. Met een driedimensionale scanner kan je niet alleen je eigen creaties, maar ook commerciële voorwerpen kopiëren. En als straks één handige harry zijn CAD-ontwerp voor een broodrooster, een gsm of een mp3-speler op het internet zet, beginnen enkele minuten later duizenden desktop fabrieken broodroosters, gsm’s en mp3-spelers te vervaardigen. Via een druk op de knop. Het al jaren aanslepende vraagstuk over het kopiëren van digitale muziek, film en media dreigt dus straks ook op gewone gebruiksvoorwerpen van toepassing te zijn. Producenten van consumentengoederen die digitale modellen van hun producten te koop aanbieden op hun website of op een schijfje, zullen af te rekenen krijgen met piraterij.

Er is echter een belangrijk verschil met muziek of film. Wie een gedownloade broodrooster of telefoon wil afdrukken, heeft niet alleen tijd, maar ook grondstoffen nodig. In tegenstelling tot een digitaal muziekbestand zijn een broodrooster of een telefoon producten met een vanzelfsprekende economische waarde. Er wordt op zijn minst een hoop materie geleverd, een aantal atomen die hoedanook schaars zijn. Hoe meer broodroosters een fabrikant verkoopt, hoe meer grondstoffen hij zal moeten aankopen.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

"Als straks één handige harry zijn CAD-ontwerp voor een broodrooster, een gsm of een mp3-speler op het internet zet, beginnen enkele minuten later duizenden desktop fabrieken broodroosters, gsm’s en mp3-spelers te vervaardigen"

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Een digitaal bestand moet daarentegen maar één keer worden gefabriceerd en kan daarna een oneindig aantal keren verkocht worden. Als je bijvoorbeeld een muzieknummer koopt bij iTunes, maak je alleen maar een kopie van een bestand dat daar op een van de computers staat. Bij iTunes verdwijnt er niets. Nullen en enen kosten niets, ze zijn eindeloos te vermenigvuldigen. De schaarste wordt kunstmatig in stand gehouden, door wetgeving en kopieerbeveiliging.

In de ‘fab labs’ in ontwikkelingslanden zijn grondstoffen een belangrijk probleem. Het is er niet eenvoudig om voldoende hoogwaardig afvalmateriaal te vinden. Bij driedimensionale printers horen dan weer dure inktpatronen, zodat het zelf afdrukken van een voorwerp wellicht altijd duurder zal uitvallen dan het kopen ervan.

Het speelgoed van God

Dat we straks met een desktop fabriek een telefoontoestel kunnen downloaden en afprinten, betekent nog niet dat materie of fabricatie is gedigitaliseerd.

In het laatste hoofdstuk van zijn boek haalt Neil Gerschenfeld het vertrekpunt van zijn verhaal onderuit. De fab labs zijn niet te vergelijken met mainframes, maar met de voorlopers ervan: de analoge computers. Een desktop fabriek die voorwerpen bouwt door middel van mini-werktuigmachines of inktpatronen, is dus niet het ultieme streven.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

"Wie een gedownloade broodrooster of telefoon wil afdrukken, heeft niet alleen tijd, maar ook grondstoffen nodig"

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Een analoge computer representeert de variabelen van een vraagstuk op een fysieke manier, bijvoorbeeld door de stand van een raderwerk. Het grote nadeel is dat elke onvolmaaktheid in de vorm van het raderwerk fouten oplevert in het antwoord. Hoe langer de berekening, hoe groter de foutmarge wordt. Dat geldt ook voor een computergestuurde frees- of snijmachine, of voor een inktpatroon. Elk defect in de vorm van het gereedschap veroorzaakt een permanente fout in de vorm van de geproduceerde onderdelen.

Een digitale computer omzeilt dat probleem door middel van foutcorrectie. Elke logische poort in een computerchip corrigeert zijn interne onvolmaakte analoge operatie in een ideale digitale waarde: nul of één. Als een bit door een storing arriveert als een 0,1 of een 0,9, kan de fout makkelijk worden hersteld. Als een 1 als een 0,3 aankomt, is er nog geen probleem. Omdat elke bit drie keer wordt doorgestuurd, moet het al minstens 2 op 3 keer fout gaan opdat een verkeerde waarde wordt doorgegeven.

Complexere schema’s kunnen nog grotere fouten corrigeren, puur op basis van logica. Dit systeem van foutcorrectie maakt het mogelijk om met behulp van onbetrouwbare componenten zeer ingewikkelde maar betrouwbare computers of communicatienetwerken te bouwen (problemen met digitale technologie worden bijna altijd veroorzaakt door software, niet door hardware).

Afval is een analoog concept

Volgens Gerschenfeld is er een gelijkaardige overgang mogelijk van analoge naar digitale fabricatie. Met die toekomstvisie treedt hij in de voetsporen van legendarische en soms controversiële wetenschappers als Richard Feynman, Eric Drexler en Richard Smalley. Zij zijn er van overtuigd dat biologie, fysica en computertechnologie best met elkaar te verzoenen zijn. Door de bouwinstructies in het materiaal zelf in te bouwen, zouden voorwerpen zichzelf in elkaar kunnen zetten. Digitale fabricatie gaat hand in hand met digitale recyclage. Zoals bacteriën in een composthoop organisch afval weer in zijn moleculaire bestanddelen doet uiteenvallen, zo kan ook een gebruiksvoorwerp herleid worden tot de atomen waaruit het bestaat. Afval is een analoog concept.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

"Digitale fabricatie bestaat al, het is de techniek van het leven. De ‘fab lab’ van God"

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

John von Neumann, de grondlegger van de digitale computerarchitectuur, vroeg zich 50 jaar geleden al af wat er zou gebeuren als computers de fysieke wereld rondom hen op dezelfde manier kunnen manipuleren als de wereld van enen en nullen. Hij kwam tot een enigszins verontrustende conclusie. De combinatie van een ‘universele bouwmachine’ en een ‘universele computer’ zou een opmerkelijke eigenschap bezitten: zelfreproductie. De computer geeft de bouwmachine de opdracht om hen allebei te kopiëren, inclusief de opdracht zelf, zodat ook de volgende generatie machines een kopie van zichzelf kan maken, enzovoort.

De mens

Ook onze cellen bevatten plannen voor de constructie van onszelf. Dat wist von Neumann niet, omdat het ribosoom toen nog niet gekend was. Het ribosoom is een moleculaire machine die zich in elke menselijke cel bevindt. Op basis van de instructies van het ingesloten genetisch materiaal maakt het alle mogelijke eiwitten om een mens op te bouwen, inclusief andere ribosomen. Daarvoor gebruikt het slechts 20 bouwstenen (aminozuren) die in verschillende combinaties en volgordes worden gecodeerd. Het ribosoom maakt daarbij gebruik van een mechanisme voor foutcorrectie dat niet moet onderdoen voor dat van een computer.

Met onvolmaakte microscopische componenten wordt zo een zeer complex maar volmaakt macroscopisch product gebouwd, met name de mens (en ook hier valt op te merken dat onvolmaaktheid op het macroscopisch vlak eerder het gevolg is van een softwareprobleem). Digitale fabricatie bestaat al, het is de techniek van het leven. De ‘fab lab’ van God.

Deze tekst verscheen ook in Knack van 6 april 2005

Foto's en meer informatie : fab at home /fablab /desktop factory

--------------------------------------------------------------------------------------------------------
Lees meer :