Bir Açık Kaynak Tasarımı, Düşük Maliyetli Bioink ve Gıda Melt Extrusion 3D Yazıcı
Summary
Bu çalışmanın amacı, biyomedikal ve gıda baskı sektörlerindeki uygulamalar için açık kaynak ve düşük maliyetli bileşenlerden yapılmış rezervuar bazlı erime ekstrüzyonu üç boyutlu yazıcı tasarlamak ve inşa etmektir.
Abstract
Üç boyutlu (3D) baskı, son derece karmaşık nesnelerin yeniden şekillendirme maliyeti olmadan üretilmesine olanak tanıyan giderek daha popüler bir üretim tekniğidir. Bu artan popülerlik kısmen sistem kurulum maliyetleri ve kullanım kolaylığı gibi giriş engelleri düşen tarafından tahrik edilir. Aşağıdaki protokol, özel parça ve bileşenlerin imalatı için bir Katkı İmalat Eritme Ekstrüzyon (ADDME) 3D yazıcı tasarımı ve inşaat sunar. ADDME, 3D baskılı, lazer kesimli ve çevrimiçi kaynaklı bileşenlerin bir kombinasyonuyla tasarlanmıştır. Protokol çerçeveleme, y ekseni ve yatak, x ekseni, ekstrüzyon, elektronik ve yazılım başlıkları altında ayrıntılı diyagramlar ve parça listeleri ile takip edilen kolay bölümler halinde düzenlenir. ADDME’nin performansı, viskoz krem, çikolata ve Pluronik F-127 (bioinks modeli) kullanılarak ekstrüzyon testi ve karmaşık nesnelerin 3Boyutlu baskısı ile değerlendirilir. Sonuçlar ADDME’nin çok çeşitli sektörlerde kullanılmak üzere malzeme ve yapı imalatı için yetenekli bir platform olduğunu göstermektedir. Ayrıntılı diyagramlar ve video içeriğinin birleşimi, karmaşık nesnelerin çok çeşitli malzemelerden 3D baskıyla ilgilenen kişiler için düşük maliyetli, kullanımı kolay ekipmanlara erişimi kolaylaştırır.
Introduction
Katkı üretim endüstriyel peyzaj1,2önemli bir değer sağlama potansiyeline sahip güçlü bir üretim teknolojisidir. Katkı maddesi üretiminin çekici özellikleri arasında takım lama maliyetleri, yüksek düzeyde özelleştirme, karmaşık geometriler ve giriş maliyetlerinin önündeki engeller indeğildir. Hiçbir retooling maliyetleri prototiphızlı üretim için izin, hangi düşük ücretli rakiplere karşı rekabetçi kalmaya çalışan gelişmiş ülkelerde sanayi kritik bir hedeftir “pazara zaman” azaltmak için çalışırken arzu edilir1. Yüksek düzeyde özelleştirilebilirlik, çok çeşitli ürünlerin karmaşık geometrilerle üretilmesini sağlar. Bu faktörler kurulum, malzeme ve operatör uzmanlık için düşük maliyetler ile birleştirildiğinde, katkı üretim teknolojileri3net bir değerdir.
3D baskı olarak da adlandırılan katkı maddesi üretimi, bir bilgisayarsayısal kontrollü (CNC) sisteminde bir nesnenin katman katman üretilmesini içerir3. Malzemenin bir levha veya malzeme bloğundan çıkarıldığı frezeleme gibi geleneksel CNC işlemlerinin aksine, 3B yazdırma sistemi istenen yapıya katman katman katman malzeme ekler.
Lazer, flaş, ekstrüzyon veya jetting teknolojileri4gibi çeşitli yöntemlerle 3D baskı kolaylaşabilir. Kullanılan özel teknoloji hammadde nin biçimini (yani, toz veya erime) yanı sıra5işleme için gerekli reolojik ve termal özellikleri belirler. Ekstrüzyon tabanlı 3D baskı pazarı, filamentlerin kullanımı, işlenmesi ve ekstrüzyon başına sürekli olarak büyük hacimlerde malzeme sağlaması nedeniyle filament tabanlı sistemler tarafından yönetilmektedir. Ancak bu süreç filamentler (özellikle termoplastikler) halinde oluşturulabilecek malzeme türü ile sınırlıdır. Çoğu malzeme filament şeklinde mevcut değildir ve piyasada modern düşük maliyetli platformların eksikliği önemli bir boşluğu temsil eder.
Bu protokol, malzemelerin bir şırıngada depolanıp iğneyle ekstrüzyon yapmasına izin veren rezervuar tabanlı ekstrüzyon sisteminin yapımını göstermektedir. Bu sistem ideal gıdalar6,polimerler7ve biyomalzemeler8,9dahil olmak üzere malzemelerin geniş bir yelpazede üretmek için uygundur. Ayrıca, rezervuar tabanlı ekstrüzyon teknikleri genellikle daha az tehlikeli, maliyet daha düşük ve diğer 3D baskı yöntemleridaha kullanımı daha kolaydır.
Açık kaynak kodlu 3D baskı sistemleri tasarlayan ve halka salan üniversite liderliğindeki ekiplerin sayısı giderek artmaktadır. 2007 yılında Fab@Home ekstrüzyon tabanlı yazıcı ile başlayan10,11, araştırmacılar 3D baskı teknolojisi ve uygulamalarında hızlı genişleme sürücü için basit ve ucuz bir platform oluşturmayı amaçladın. Daha sonra 2011 yılında, RepRap proje bir filament tabanlı 3D baskı platformu 3D baskı tarafından yapılan parçalar ile tasarlanmış oluşturmayı amaçlayan, kendi kendini çoğaltma makinesi oluşturmak amacıyla12. 3D yazıcıların maliyeti yıllar içinde, bir Fab@Home için 2300 USD’den (2006), RepRap v1 için $573 USD’den (2005) ve v2 (2011) için $400 USD’den düşüyor.
Önceki çalışmada, nasıl bir off-the-self 3D baskı sistemi özel bir rezervuar tabanlı ekstrüzyon sistemi ile çikolata13karmaşık 3D nesneler oluşturmak için kombine edilebilir gösterdi. Daha fazla tasarım araştırması, bu prototip tasarımına kıyasla önemli ölçüde maliyet tasarrufu sağlanabileceğini göstermiştir.
Bu protokolün amacı, düşük maliyetli rezervuar bazlı erime ekstrüzyon 3D yazıcının inşası için talimatlar sağlamaktır. Burada sunulan ayrıntılı diyagramlar, çizimler, dosyalar ve bileşen listeleri başarıyla bir 3D yazıcı nın yapımı ve çalışmasına izin vermek için. Tüm bileşenler, kullanıcıların istedikleri gibi ek özellikler değiştirmelerine veya eklemelerine olanak tanıyan açık kaynak (creative commons ticari olmayan) platform https://www.thingiverse.com/Addme/collectionsbarındırılır. Viskoz krem, çikolata ve Pluronic F-127 (bioinks için bir model) ADDME performansını değerlendirmek ve biyomedikal ve gıda baskı endüstrilerine ADDME 3D yazıcı uygulamasını göstermek için kullanılır.
Bu protokol için akrilik kesim yapabilen bir lazer kesici ve PLA veya ABS filamentleri baskı yapabilen bir masaüstü 3D yazıcı gereklidir. İşlenmiş ısıtma ceketi ve ısıtıcı kartuşuna veya silikon ısıtıcı, operatörün hangi ekipmana erişebildiğine bağlı olarak malzemeyi ısıtmak için kullanılabilir. Tüm CAD dosyaları https://www.thingiverse.com/Addme/designsbulunabilir. Firmware ve yazılım 3D yazıcı, http://marlinfw.org/meta/download/ ve https://www.repetier.com/ sırasıyla kaynakları kontrol etmek için sağlanır. Kontrol panosu hakkında ayrıntılı talimatlar için https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokol, düşük maliyetli erime ekstrüzyon tabanlı 3D yazıcı oluşturmak için ayrıntılı talimatlar sağlar. 3D yazıcının yapısı çerçeve, y ekseni/yatak, x ekseni, ekstrüder, elektronik ve yazılım gibi alt bölümlere ayrılabilir. Bu alt bölümler ayrıntılı diyagramlar, çizimler, dosyalar ve parça listeleri ile sunulur. Bir ADDME 3D yazıcının toplam fiyatı 343 AUD (17/01/2019 itibariyle 245 USD) olarak geliyor ve bu da şu anda bilinen en ucuz, rezervuar tabanlı erime 3D yazıcı yıkı…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu araştırma, kamu, ticari veya kar amacı gütmeyen sektörlerde finansman kurumlarından herhangi bir özel hibe almadı. Florian Schmittner, Sandro Gorka, Gurinder Singh, Vincent Tran ve Dominik Vu’ya tasarımın daha önceki bir prototipine yaptıkları katkılardan dolayı özel teşekkür.
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).
