オープンソース、低コストのバイオインク、食品溶融物押出3Dプリンタの設計
Summary
本研究の目的は、バイオメディカルおよび食品印刷業界での用途向けに、オープンソースおよび低コストのコンポーネントから作られた貯水槽ベースの溶融押出3次元プリンタを設計し、構築することです。
Abstract
3次元(3D)印刷は、高度に複雑なオブジェクトを改造コストなしで製造することを可能にする、ますます普及している製造技術です。この人気の高まりは、システムのセットアップコストや操作の容易さなどの参入障壁の低下によって部分的に駆動されます。次のプロトコルは、カスタム部品およびコンポーネントの製造用のアディティブマニュファクチャリングメルト押出(ADDME)3Dプリンタの設計と構築を示します。ADDMEは、3Dプリント、レーザーカット、オンラインソースコンポーネントを組み合わせて設計されています。プロトコルは、フレーム、Y軸とベッド、x軸、押出、電子工学、ソフトウェアの見出しの下に詳細な図とパーツリストを備えた、簡単に従うセクションに配置されています。ADDMEの性能は粘性クリーム、チョコレート、およびPluronic F-127(バイオインクのモデル)を使用して複雑な物体の押出試験および3D印刷によって評価される。この結果は、ADDMEが幅広い産業で使用するための材料および構造の製造に対応するプラットフォームであることを示している。詳細な図とビデオコンテンツを組み合わせて、幅広い素材から複雑なオブジェクトを3Dプリントすることに関心を持つ個人が、低コストで操作しやすい機器へのアクセスを容易にします。
Introduction
添加物製造は、産業景観1、2に大きな価値を提供する可能性を秘めている強力な製造技術です。アディティブマニュファクチャリングの魅力的な機能は、工具のコスト、高度なカスタマイズ、複雑な形状、および参入コストの障壁の削減を伴いません。リツールコストが発生しないため、プロトタイプの迅速な製造が可能となり、低賃金の競合他社に対して競争力を維持しようとする先進国の産業の重要な目的である「市場投入までの時間」を減らそうとするときに望ましいものです。高度なカスタマイズ性により、多種多様な製品を複雑な形状で製造できます。これらの要因を、セットアップ、材料、およびオペレータ特殊化のための低コストと組み合わせると、アディティブマニュファクチャリング技術3の明確な価値があります。
添加物製造は、3Dプリンティングとも呼ばれ、コンピュータ数値制御(CNC)システム3における物体の層ごとの製造を伴う。材料がシートまたは材料のブロックから取り除かれるミリングなどの従来の CNC プロセスとは異なり、3D 印刷システムは、レイヤーごとに目的の構造に材料を追加します。
3D プリントは、レーザー、フラッシュ、押出、噴射技術など、さまざまな方法で容易に行うことができます。採用される特定の技術は、原料の形態(すなわち、粉末または溶融物)、ならびに処理に必要なレオロジーおよび熱特性を決定する5。押し出しベースの3Dプリンティング市場はフィラメントベースのシステムによって支配されており、フィラメントは取り扱いが容易で、処理が容易であり、押出ヘッドに大量の材料を継続的に供給するためです。しかし、このプロセスはフィラメント(主に熱可塑性)に形成することができる材料の種類によって制限される。ほとんどの材料はフィラメントの形では存在せず、市場における近代的な低コストプラットフォームの欠如は顕著なギャップを表しています。
このプロトコルは、材料を注射器に格納し、針を通して押し出すことができるリザーバーベースの押出システムの構築を示しています。このシステムは、食品6、ポリマー7、およびバイオマテリアル8、9を含む材料の広い範囲を製造するのに理想的に適しています。さらに、貯留槽ベースの押出技術は、通常、他の3D印刷方法に比べて、より危険で、コストが低く、操作が容易です。
オープンソースの3Dプリントシステムを設計・公開する大学主導のチームが増えています。2007年10月10日のFab@Home押し出しベースのプリンタを皮とし、研究者は3D印刷技術とアプリケーションの急速な拡大を促進するためのシンプルで安価なプラットフォームを作成することを目指しました。2011年の後半、RepRapプロジェクトは、自己複製機12を作成することを目標に、3Dプリントで作られた部品で設計されたフィラメントベースの3Dプリントプラットフォームを作成することを目指しました。3Dプリンターのコストは、Fab@Home(2006年)で2300米ドル、RepRap v1(2005年)で573米ドル、v2(2011)で400ドルから、長年にわたって減少しています。
以前の研究では、オフザセルフ3D印刷システムとカスタムリザーバーベースの押出システムを組み合わせて、チョコレート13から複雑な3Dオブジェクトを作成する方法を実証しました。さらに設計調査を行った結果、このプロトタイプ設計と比較して大幅なコスト削減が可能であることが明らかになった。
このプロトコルの目的は、低コストのリザーバーベースの溶融押出3Dプリンタの構築手順を提供することです。ここには、3D プリンタの構築と操作を正常に行えるように、詳細な図、図面、ファイル、コンポーネント リストを示します。すべてのコンポーネントは、オープンソース(クリエイティブ・コモンズ非商用)プラットフォームhttps://www.thingiverse.com/Addme/collectionsでホストされており、ユーザーは必要に応じて機能を変更または追加することができます。粘性クリーム、チョコレート、およびPluronic F-127(バイオインクのモデル)は、ADDMEの性能を評価し、バイオメディカルおよび食品印刷業界へのADDME 3Dプリンタの適用を実証するために使用されます。
アクリルを切断できるレーザーカッターと、PLAまたはABSフィラメントを印刷できるデスクトップ3Dプリンタが必要です。機械加工された暖房ジャケットおよびヒーター・カートリッジまたはシリコーン・ヒーターは、オペレータがアクセスできる装置に応じて、材料を加熱するために使用することができます。すべての CAD ファイルはhttps://www.thingiverse.com/Addme/designsにあります。3Dプリンタを制御するファームウェアとソフトウェアの場合、http://marlinfw.org/meta/download/とhttps://www.repetier.com/がそれぞれ提供されます。制御ボードの詳細については、https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4を参照してください。
Protocol
Representative Results
Discussion
このプロトコルは、低コストの溶融押出ベースの3Dプリンタを構築するための詳細な手順を提供します。3Dプリンタの構造は、フレーム、Y軸/ベッド、x軸、押出機、電子工学、ソフトウェアを含むサブセクションに分解することができます。これらのサブセクションには、詳細な図、図面、ファイル、パーツ一覧が表示されます。ADDME 3Dプリンタの合計価格は$343 AUD(2019年1月17日時点で$245 USD)と…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、公共、商業、または非営利セクターの資金調達機関から特定の助成金を受け取りませんでした。フロリアン・シュミットナー、サンドロ・ゴルカ、グリンダー・シン、ヴィンセント・トラン、ドミニク・ヴーのデザイン初期のプロトタイプへの貢献に感謝します。
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
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