تصميم طابعة بيوينك بيوينك مفتوحة المصدر ومنخفضة التكلفة وطابعة البثق الغذائي
Summary
والهدف من هذا العمل هو تصميم وبناء طابعة ثلاثية الأبعاد للصهر القائم على الخزانات مصنوعة من مكونات مفتوحة المصدر ومنخفضة التكلفة للتطبيقات في صناعات الطب الحيوي والطباعة الغذائية.
Abstract
الطباعة ثلاثية الأبعاد (3D) هي تقنية تصنيع شائعة بشكل متزايد تسمح بتلفيق الكائنات المعقدة للغاية دون تكاليف إعادة التجهيز. ويعزى هذا الانتشار المتزايد جزئيا إلى سقوط الحواجز أمام الدخول مثل تكاليف إنشاء النظام وسهولة التشغيل. يعرض البروتوكول التالي تصميم وبناء طابعة البثق المضافة (ADDME) ثلاثية الأبعاد لتصنيع الأجزاء والمكونات المخصصة. تم تصميم ADDME مع مزيج من المكونات المطبوعة ثلاثية الأبعاد والليزر والمصدر عبر الإنترنت. يتم ترتيب البروتوكول في أقسام سهلة المتابعة ، مع رسومات تخطيطية مفصلة وقوائم أجزاء تحت عناوين التأطير ، والمحور ص والسرير ، س المحور ، البثق ، والالكترونيات ، والبرمجيات. يتم تقييم أداء ADDME من خلال اختبار البثق والطباعة ثلاثية الأبعاد للأشياء المعقدة باستخدام القشدة اللزجة والشوكولاته وPluronic F-127 (نموذج للبيوينك). وتشير النتائج إلى أن شركة أدمي هي منصة قادرة على تصنيع المواد والإنشاءات لاستخدامها في مجموعة واسعة من الصناعات. إن الجمع بين الرسومات التخطيطية التفصيلية ومحتوى الفيديو يسهل الوصول إلى معدات منخفضة التكلفة وسهلة التشغيل للأفراد المهتمين بالطباعة ثلاثية الأبعاد للكائنات المعقدة من مجموعة واسعة من المواد.
Introduction
التصنيع المضافة هي تكنولوجيا تصنيع قوية لديها القدرة على توفير قيمة كبيرة للمشهد الصناعي1،2. السمات الجذابة للتصنيع المضافة لا تنطوي على تكاليف الأدوات ، وارتفاع مستويات التخصيص ، وهندستها المعقدة ، وانخفاض الحواجز أمام تكاليف الدخول. لا توجد تكاليف إعادة تجهيز تسمح بتصنيع سريع للنماذج الأولية ، وهو أمر مرغوب فيه عند محاولة تقليل “الوقت إلى السوق” ، وهو هدف حاسم للصناعات في الدول المتقدمة التي تحاول الحفاظ على قدرتها التنافسية ضد المنافسين ذوي الأجور المنخفضة1. مستويات عالية من التخصيص تسمح لمجموعة واسعة من المنتجات لتكون ملفقة مع هندستها المعقدة. عندما يتم الجمع بين هذه العوامل مع انخفاض تكاليف الإعداد والمواد والتخصص المشغل ، وهناك قيمة واضحة لتقنيات التصنيع المضافة3.
التصنيع المضافة، وتسمى أيضا الطباعة 3D، ينطوي على تصنيع طبقة بطبقة من كائن في نظام الكمبيوتر الرقمية التي تسيطر عليها (التصنيع باستخدام الحاسب الآلي)3. على عكس عمليات التصنيع باستخدام الحاسب الآلي التقليدية مثل الطحن ، والتي تتم إزالة المواد من ورقة أو كتلة من المواد ، يضيف نظام الطباعة ثلاثي الأبعاد المواد إلى طبقة التركيب المطلوبة طبقة بطبقة.
يمكن تسهيل الطباعة ثلاثية الأبعاد من خلال مجموعة من الطرق بما في ذلك الليزر أو الفلاش أو البثق أو تقنيات القذف4. تحدد التكنولوجيا المحددة المستخدمة شكل المادة الخام (أي المسحوق أو الذوبان)، وكذلك الخصائص الريولوجية والحرارية اللازمة للمعالجة5. يهيمن على سوق الطباعة ثلاثية الأبعاد المستندة إلى البثق الأنظمة القائمة على خيوط، والتي يرجع ذلك إلى خيوط سهلة التعامل معها ومعالجتها وتوريد كميات كبيرة من المواد باستمرار إلى رأس البثق. ومع ذلك ، فإن هذه العملية محدودة بنوع المواد القادرة على تشكيلها في خيوط (أساسا اللدائن الحرارية). معظم المواد غير موجودة في شكل خيوط ، وعدم وجود منصات حديثة منخفضة التكلفة في السوق يمثل فجوة ملحوظة.
ويبين هذا البروتوكول بناء نظام قذف قائم على الخزانات يسمح بتخزين المواد في حقنة وقذفها من خلال إبرة. هذا النظام هو مناسب بشكل مثالي لتصنيع مجموعة واسعة من المواد بما في ذلك الأطعمة6، البوليمرات7، والمواد الحيوية8،9. وعلاوة على ذلك، فإن تقنيات البثق المستندة إلى المكامن عادة ما تكون أقل خطورة، وأقل تكلفة، وأسهل في التشغيل من أساليب الطباعة ثلاثية الأبعاد الأخرى.
هناك عدد متزايد من الفرق التي تقودها الجامعات لتصميم وإصدار أنظمة الطباعة ثلاثية الأبعاد مفتوحة المصدر للجمهور. بدءا من Fab@Home البثق القائم على الطابعة في عام 200710،11، الباحثين تهدف إلى إنشاء منصة بسيطة ورخيصة لدفع التوسع السريع في تكنولوجيا الطباعة 3D والتطبيقات. في وقت لاحق من عام 2011 ، يهدف مشروع RepRap إلى إنشاء منصة طباعة ثلاثية الأبعاد تعتمد على خيوط مصممة بأجزاء مصنوعة من الطباعة ثلاثية الأبعاد ، بهدف إنشاء آلة ذاتية التكرار12. وقد انخفضت تكلفة الطابعات ثلاثية الأبعاد على مر السنين ، من 2300 دولار أمريكي Fab@Home (2006) ، و 573 دولارًا أمريكيًا لـ RepRap v1 (2005) ، و 400 دولار أمريكي لv2 (2011).
في العمل السابق ، أظهرنا كيف يمكن الجمع بين نظام الطباعة ثلاثية الأبعاد خارج الذات مع نظام قذف مخصص قائم على الخزان لإنشاء كائنات ثلاثية الأبعاد معقدة من الشوكولاتة13. وقد أظهرت تحقيقات التصميم الأخرى أنه يمكن تحقيق وفورات كبيرة في التكاليف مقارنة بهذا التصميم النموذجي.
والهدف من هذا البروتوكول هو توفير تعليمات لبناء طابعة 3D البثق تذوب منخفضة التكلفة القائمة على خزان. يتم عرض الرسومات التخطيطية والرسومات والملفات وقوائم المكونات التفصيلية للسماح بإنشاء وتشغيل طابعة ثلاثية الأبعاد بنجاح. يتم استضافة جميع المكونات على منصة المصدر المفتوح (المشاع الإبداعي غير التجارية) https://www.thingiverse.com/Addme/collections، والتي تسمح للمستخدمين بتغيير أو إضافة ميزات إضافية حسب الرغبة. يتم استخدام كريم لزج، والشوكولاته، وبلونونيتش F-127 (نموذج لbioinks) لتقييم أداء ADDME وإظهار تطبيق الطابعة 3D ADDME إلى الصناعات الطبية الحيوية والطباعة الغذائية.
مطلوب قاطع ليزر قادرة على قطع الاكريليك وطابعة 3D سطح المكتب قادرة على طباعة جيش التحرير الشعبى الصينى أو خيوط ABS لهذا البروتوكول. يمكن استخدام سترة التدفئة الآلية وخرطوشة سخان أو سخان السيليكون لتسخين المواد ، اعتمادًا على المعدات التي يمكن للمشغل الوصول إليها. يمكن العثور على جميع ملفات CAD في https://www.thingiverse.com/Addme/designs. للبرامج الثابتة والبرامج للتحكم في الطابعة ثلاثية الأبعاد، يتم توفير الموارد http://marlinfw.org/meta/download/ https://www.repetier.com/، على التوالي. للحصول على تعليمات مفصلة حول لوحة التحكم، انظر https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4.
Protocol
Representative Results
Discussion
يوفر هذا البروتوكول إرشادات تفصيلية لإنشاء طابعة ثلاثية الأبعاد ذات تكلفة منخفضة. يمكن تقسيم بناء الطابعة ثلاثية الأبعاد إلى أقسام فرعية بما في ذلك الإطار ، والمحور ص / السرير ، والمحور العاشر ، والطارد ، والإلكترونيات ، والبرمجيات. يتم تقديم هذه الأقسام الفرعية مع رسومات تخطيطية مفصلة و?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ولم يتلق هذا البحث أي منح محددة من وكالات التمويل في القطاعات العامة أو التجارية أو غير الهادفة للربح. شكر خاص لفلوريان شميتنر، ساندرو غوركا، جوريندر سينغ، فنسنت تران، ودومينيك فو لمساهمتهم في نموذج أولي سابق للتصميم.
Materials
| 15 W 12V DC 50x100mm Flexible Silicon Heater | Banggood | 1280175 | Optional; AU$4.46 |
| 3D Printer | Lulzbot | https://download.lulzbot.com/ | |
| 3D Printer | Ultimaker | Ultimaker 2+ | |
| AC 100-240V to DC 12V 5A 60W Power Supply | Banggood | 994870 | AU$12.7 |
| Acrylic Sheet White Continuous Cast 1200x600mm | Mulford Plastics | AU$36.95 | |
| Allen Keys | Metric | ||
| Arduino MEGA2560 R3 with RAMPS 1.4 Controller | Geekcreit | 984594 | AU$28.91 |
| Carbon Steel Linear Shaft 8mm x 350mm | Banggood | 1119330 | AU$13.44 |
| Carbon Steel linear Shaft 8mm x 500mm | Banggood | 1276011 | AU$19.42 |
| Chocolate | Cadbury | ||
| Computer with internet access | Dell | ||
| Coupler 5-8mm | Banggood | 1070710 | AU$6.93 |
| Hand Cream | Nivea | 80102 | |
| Heating Cartridge | Creality 3D | 1192704 | AU$4.75 |
| K Type Temperature Sensor Thermocouple | Banggood | 1212169 | AU$2.37 |
| Laser Cutter | trotec | Speedy 300 | https://www.troteclaser.com/ |
| M10 1mm Pitch Thread Metal Hex Nut + Washer | UXCELL | AU$8.84 | |
| M10 1mm Pitch Zinc Plated Pipe 400mm Length | UXCELL | AU$11.62 | |
| M2 – 0.4mm Internal Thread Brass Inserts | Ebay | AU$5.65 | |
| M2 Nuts | Suleve | 1239291 | AU$9.17 |
| M2 x 10 mm Button Hex Screws | Suleve | 1239291 | AU$9.17 |
| M2 x 5mm Button Hex Screws | Suleve | 1239291 | AU$9.17 |
| M3 – 0.5mm Internal Thread Brass Inserts | Suleve | 1262071 | AU$7.5 |
| M3 Nuts | Suleve | 1109208 | AU$7.85 |
| M3 Washer | Banggood | 1064061 | AU$3.05 |
| M3 x 10mm Button Hex Screws | Suleve | 1109208 | AU$7.85 |
| M3 x 20mm Button Hex Screws | Suleve | 1109208 | AU$7.85 |
| M3 x 6mm Button Hex Screws | Suleve | 1109208 | AU$7.85 |
| M3 x 8mm Button Hex Screws | Suleve | 1109208 | AU$7.85 |
| M4 x 8mm Button Hex Screws | Suleve | 1273210 | AU$4.32 |
| Needle Luer Lock 18 – 27 Gauge | Terumo | TGA ARTG ID: 130227 | AU$3.57 |
| NEMA 17 Stepper Motor | Casun | 42SHD0001-24B | AU$54 |
| NEMA Stepper Motor Mounting Bracket | Banggood | ptNema17br90 | AU$4.79 |
| Pillow Block Flange Bearing 8mm | Banggood | KFL08 | AU$5.04 |
| PLA Filament | Creality 3D | 1290153 | AU$24.95 |
| Pluronic F127 | Sigma Aldrich | P2443-250G | |
| SC8UU 8mm Linear Motion Ball Bearing | Toolcool | 935967 | AU$21.6 |
| SG-5GL Micro Limit Switch | Omron | 1225333 | AU$4.5 |
| Soldering Station | Solder, Wires, Heat shrink e.c.t. | ||
| Spring | Banggood | 995375 | AU$2.53 |
| Syringe 3ml Luer Lock Polypropylene | Brauhn | 9202618N | AU$3.14 |
| Timing Pulley GT2 20 Teeth and Belt Set | Banggood | 10811303 | AU$11.48 |
| Trapezoidal Lead Screw and Nut 8mm x 400mm | Banggood | 1095315 | AU$29.02 |
| Variable Spanner |
References
- Brettel, M., Friederichsen, N., Keller, M., Rosenberg, M. How Virtualization, Decentralization and Network Building Change the Manufacturing Landscape: An Industry 4.0 Perspective. World Academy of Science, Engineering and Technology International Journal of Information and Communication Engineering. 8 (1), (2014).
- Gilchrist, A. Introducing Industry 4.0. Industry 4.0. , 195-215 (2016).
- Petrick, I. J., Simpson, T. W. 3D Printing Disrupts Manufacturing: How Economies of One Create New Rules of Competition. Research-Technology Management. 56 (6), 12-16 (2013).
- Wong, K., Hernandez, A. A Review of Additive Manufacturing. ISRN Mechanical Engineering. 10, (2012).
- Lanaro, M., Desselle, M. R., Woodruff, M. A. 3D Printing Chocolate: Properties of Formulations for Extrusion, Sintering, Binding and Ink Jetting. Fundamentals of 3D Food printing and Applications. , (2018).
- Godoi, F. C., Prakash, S., Bhandari, B. R. 3d printing technologies applied for food design: Status and prospects. Journal of Food Engineering. 179, 44-54 (2016).
- Stansbury, J. W., Idacavage, M. J. 3D printing with polymers: Challenges among expanding options and opportunities. Dental Materials. 32 (1), 54-64 (2016).
- Zhu, W., Ma, X., Gou, M., Mei, D., Zhang, K., Chen, S. 3D printing of functional biomaterials for tissue engineering. Current Opinion in Biotechnology. 40, 103-112 (2016).
- Lanaro, M., Booth, L., Powell, S. K., Woodruff, M. A. Electrofluidodynamic technologies for biomaterials and medical devices: melt electrospinning. Electrofluidodynamic Technologies (EFDTs) for Biomaterials and Medical Devices. , 37-69 (2018).
- Malone, E., Lipson, H. Fab@Home: the personal desktop fabricator kit Article information. Rapid Prototyping Journal. 13 (4), 245-255 (2007).
- Vilbrandt, T., Malone, E., Lipson, H., Pasko, A. Universal Desktop Fabrication. Heterogeneous Objects Modelling and Applications. , 259-284 (2008).
- Jones, R., et al. RepRap-the replicating rapid prototyper. Robotica. 29, 177-191 (2011).
- Lanaro, M., et al. 3D printing complex chocolate objects: Platform design, optimization and evaluation. Journal of Food Engineering. , (2017).
- Wu, W., DeConinck, A., Lewis, J. A. Omnidirectional Printing of 3D Microvascular Networks. Advanced Materials. 23 (24), H178-H183 (2011).
- Paxton, N., Smolan, W., Böck, T., Melchels, F., Groll, J., Jungst, T. Proposal to assess printability of bioinks for extrusion-based bioprinting and evaluation of rheological properties governing bioprintability. Biofabrication. 9 (4), 044107 (2017).
