עיצוב של מקור פתוח, ביודיו בעלות נמוכה ומזון נמס ההבלטה מדפסת תלת-ממד
Summary
מטרת העבודה היא לעצב ולבנות מדפסת תלת מימדית מבוססת-מאגר, העשויה מרכיבים בעלי מקור פתוח ובעלות נמוכה עבור יישומים בתעשיות הדפוס הביו-רפואית והמזון.
Abstract
הדפסה תלת ממדית (3D) היא טכניקת ייצור פופולרית יותר ויותר המאפשרת אובייקטים מורכבים מאוד להיות מפוברק ללא עלות הקורה מחדש. הפופולריות הגוברת היא מונעת חלקית על ידי מחסומים נופלים לכניסה כגון עלויות הגדרת מערכת וקלות הפעולה. הפרוטוקול הבא מציג את העיצוב והבנייה של מדפסת הייצור של שחול תוסף (ADDME) תלת-ממד לייצור חלקים ורכיבים מותאמים אישית. הרכיב ADDME תוכנן עם שילוב של רכיבים תלת-ממדיים, מודפסים לייזר וממקורות מקוונים. הפרוטוקול מסודר למקטעים קלים למעקב, עם דיאגרמות מפורטות ורשימות חלקים תחת הכותרות של מסגור, ציר y ומיטה, ציר x, שחול, אלקטרוניקה ותוכנה. הביצועים של ADDME מוערכים באמצעות בדיקות שחול והדפסה תלת ממדית של עצמים מורכבים באמצעות שמנת צמיגה, שוקולד, ו-הריבוי של F-127 (מודל עבור ביודיו). התוצאות מצביעות על כך ש-ADDME היא פלטפורמה מסוגלת לייצור חומרים ובנייה לשימוש במגוון רחב של תעשיות. השילוב של דיאגרמות מפורטות ותוכן וידאו מאפשר גישה לציוד בעלות נמוכה, קל לתפעול עבור אנשים המעוניינים בהדפסת תלת-ממד של אובייקטים מורכבים ממגוון רחב של חומרים.
Introduction
ייצור מוספים הוא טכנולוגיית ייצור רבת עוצמה, שיש לה פוטנציאל לספק ערך משמעותי לנוף התעשייתי1,2. התכונות האטרקטיביות של הייצור הכולל אינן כרוכות בעלויות החריטת, רמות גבוהות של התאמה אישית, גאומטריות מורכבות וחסימות מופחתות לעלויות כניסה. אין עלויות הנוסע מחדש מאפשרים ייצור מהיר של אב טיפוס, אשר רצוי כאשר מנסים להקטין את “זמן לשוק”, שהוא מטרה קריטית של תעשיות מדינות מפותחות מנסה להישאר תחרותי נגד מתחרים בעלי שכר נמוך1. רמות גבוהות של יכולת ההתאמה האישית מאפשרות מגוון רחב של מוצרים להיות מפוברק עם גיאומטריות מורכבות. כאשר גורמים אלה משולבים עם עלויות נמוכות עבור הגדרת, חומרים, והתמחות המפעיל, יש ערך ברור של טכנולוגיות ייצור מוספים3.
ייצור מוספים, המכונה גם הדפסת תלת-ממד, כרוך בייצור של שכבה על-ידי האובייקט במחשב בשליטה מספרית (CNC) מערכת3. בניגוד לתהליכי CNC מסורתיים כגון טחינה, שבה החומר מוסר מגיליון או מבלוק של חומר, מערכת הדפסה תלת-ממדית מוסיפה חומר לתוך המבנה הרצוי שכבה-אחר-שכבה.
הדפסה תלת-ממדית ניתן להקל באמצעות מגוון שיטות כולל לייזר, flash, שחול או טכנולוגיות מתקדמות4. הטכנולוגיה הספציפית המועסקים קובע את הצורה של חומר גלם (כלומר, אבקה או להמיס), כמו גם את התכונות הרטיולוגית והתרמית הנדרשים לעיבוד5. שוק ההדפסה תלת-ממד המבוסס על-ידי שחול נשלט על-ידי מערכות מבוססות-חוט, הנובע מסיבים קלים לטיפול, תהליך, ומספקים ברציפות כמויות גדולות של חומר לראש ההבלטה. עם זאת, תהליך זה מוגבל על-ידי סוג החומר שניתן ליצור לסיבים (בעיקר תרמופלטיקה). רוב החומרים אינם קיימים בצורת פילמנט, והיעדר פלטפורמות בעלות נמוכה מודרנית בשוק מייצג פער בולט.
פרוטוקול זה מציג את הבנייה של מערכת שחול מבוסס-מאגר המאפשר חומרים להיות מאוחסן במזרק הבלטה באמצעות מחט. מערכת זו מתאימה באופן אידיאלי לייצור מגוון רחב של חומרים כולל מאכלים6, פולימרים7, ו ביואטיאריאלס8,9. יתר על כן, שיטות שחול מבוסס אגירה בדרך כלל פחות מסוכנים, נמוך בעלות, וקל יותר לפעול מאשר שיטות הדפסה תלת-ממד אחרות.
יש מספר גדל והולך של צוותי האוניברסיטה הובילו לעצב ושחרור מערכות הדפסה תלת-ממד מקור פתוח לציבור. החל מFab@Home שחול מבוססי מדפסת ב 200710,11, החוקרים שנועדו ליצור פלטפורמה פשוטה וזולה לנהוג התרחבות מהירה בטכנולוגיית הדפסה תלת-ממד ויישומים. מאוחר יותר בשנת 2011, פרוייקט RepRap שמטרתו ליצור פלטפורמת הדפסה תלת-ממדית מבוססת-חוט מעוצבת עם חלקים שבוצעו על-ידי הדפסה תלת-ממדית, עם המטרה ליצור מכונת שכפול עצמי12. העלות של מדפסות תלת-ממד כבר להפיל את השנים, מ $2300 USD עבור Fab@Home (2006), $573 USD עבור RepRap v1 (2005), ו $400 USD עבור v2 (2011).
בעבודה הקודמת, הדגמנו כיצד מערכת הדפסה מחוץ לעצמי 3D יכול להיות משולב עם מערכת מותאמת אישית המבוססת על מאגר ההבלטה כדי ליצור אובייקטים תלת-ממדיים מורכבים משוקולד13. חקירה בתכנון נוסף הראו כי חיסכון ניכר בעלויות ניתן להשיג בהשוואה לעיצוב אב טיפוס זה.
מטרת פרוטוקול זה היא לספק הוראות לבניית המדפסת בעלות נמוכה מבוסס מאגר ממיסים תלת-ממד שחול. להלן מוצגים דיאגרמות, ציורים, קבצים ורשימות רכיבים מפורטים כדי לאפשר בנייה ותפעול בהצלחה של מדפסת תלת-ממדית. כל הרכיבים מתארחים על הקוד הפתוח (לא מסחרי) פלטפורמה https://www.thingiverse.com/Addme/collections, אשר מאפשר למשתמשים לשנות או להוסיף תכונות נוספות כרצונך. שמנת צמיגה, שוקולד וצורת הריבוי של F-127 (מודל לביודיו) משמשות להערכת הביצועים של ADDME ולהדגים את היישום של המדפסת התלת-ממדית של ADDME לתעשיות הביו-רפואית והמזון.
חותך לייזר המסוגל לחתוך אקריליק ומדפסת שולחנית תלת-ממדית המסוגלת להדפיס מכונת PLA או ABS, נדרשות עבור פרוטוקול זה. מעיל חימום מאצ ומחסנית חימום או מחמם סיליקון ניתן להשתמש כדי לחמם את החומר, בהתאם לציוד המפעיל יש גישה. כל קבצי CAD ניתן למצוא ב https://www.thingiverse.com/Addme/designs. עבור קושחה ותוכנה לשלוט במדפסת תלת-ממד, http://marlinfw.org/meta/download/ ו- https://www.repetier.com/ מסופקים משאבים, בהתאמה. לקבלת הוראות מפורטות אודות לוח הבקרה, ראה https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול זה מספק הוראות מפורטות לבניית מדפסת תלת-ממד המבוססת על שחול בעלות נמוכה. ניתן לחלק את בניית המדפסת התלת-ממדית לסעיפים קטנים כולל מסגרת, ציר y/מיטה, ציר x, הבלטת ממד, אלקטרוניקה ותוכנה. סעיפים קטנים אלה מוצגים עם דיאגרמות, ציורים, קבצים ורשימות חלקים מפורטים. מחירו הכולל של מדפסת 3D ADDME…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה לא קיבל מענקים מסוימים מסוכנויות מימון במגזר הציבורי, המסחרי או לא למטרות רווח. תודות מיוחדות לפלוריאן שמיטטנר, סנדרו גורקה, גורנדר סינג, וינסנט טראן ודומיניק וו על תרומתם לגבי הדגם הקודם של העיצוב.
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).
