Design av en öppen källkod, billiga Bioink och Mat Melt Extrusion 3D-skrivare
Summary
Syftet med detta arbete är att designa och konstruera en reservoarbaserad smältextrudering tredimensionell skrivare tillverkad av öppen källkod och billiga komponenter för applikationer inom biomedicinska och livsmedelstryckindustrier.
Abstract
Tredimensionell (3D) utskrift är en allt populärare tillverkningsteknik som gör att mycket komplexa objekt kan tillverkas utan retooling kostnader. Denna ökande popularitet drivs delvis av fallande inträdeshinder såsom systemuppläggkostnader och enkel drift. I följande protokoll presenteras design och konstruktion av en ADDME-skrivare (Additive Manufacturing Melt Extrusion) för tillverkning av anpassade delar och komponenter. ADDME har utformats med en kombination av 3D-tryckta, laser-cut och online-sourced komponenter. Protokollet är ordnat i lättföljande avsnitt, med detaljerade diagram och reservdelslistor under rubrikerna inramning, y-axel och säng, x-axel, extrudering, elektronik och programvara. ADDME:s prestanda utvärderas genom extrudering och 3D-utskrift av komplexa föremål med hjälp av visköskräm, choklad och pluronisk F-127 (en modell för biobläck). Resultaten visar att ADDME är en kapabel plattform för tillverkning av material och konstruktioner för användning i en mängd olika branscher. Kombinationen av detaljerade diagram och videoinnehåll underlättar tillgången till billig och lättmanövrerad utrustning för personer som är intresserade av 3D-utskrift av komplexa föremål från ett brett spektrum av material.
Introduction
Additiv tillverkning är en kraftfull tillverkningsteknik som har potential att ge betydande värde till industrilandskapet1,2. De attraktiva egenskaperna hos additiv tillverkning innebär inga verktygskostnader, höga nivåer av anpassning, komplexa geometrier och minskade hinder för inträdeskostnader. Inga retooling kostnader möjliggör snabb tillverkning av prototyper, vilket är önskvärt när man försöker minska “tid till marknaden”, vilket är ett kritiskt mål för industrier i utvecklade länder som försöker förbli konkurrenskraftiga mot låglönekonkurrenter1. Höga nivåer av anpassningsbarhet gör det möjligt för ett brett utbud av produkter att tillverkas med komplexa geometrier. När dessa faktorer kombineras med de låga kostnaderna för uppställning, material och operatörsspecialisering finns det ett tydligt värde av additiv tillverkningsteknik3.
Additiv tillverkning, även kallad 3D-utskrift, innebär skikt-för-lager tillverkning av ett objekt i en dator numeriskt kontrollerad (CNC) system3. Till skillnad från traditionella CNC-processer som fräsning, där material avlägsnas från ett ark eller block av material, lägger ett 3D-utskriftssystem material till önskad struktur lager för lager.
3D-utskrift kan underlättas genom en rad olika metoder, inklusive laser, blixt, extrudering eller jetting teknik4. Den specifika teknik som används bestämmer råvarornas form (dvs. pulver eller smältning), liksom de reologiska och termiska egenskaper som krävs för bearbetning5. Den extruderingbaserade 3D-utskriftsmarknaden domineras av glödtrådsbaserade system, som beror på att glödtrådar är lätta att hantera, bearbeta och kontinuerligt leverera stora mängder material till extrudering huvudet. Denna process begränsas dock av den typ av material som kan bildas i glödtrådar (främst termoplaster). De flesta material finns inte i glödtrådform, och bristen på moderna billiga plattformar på marknaden utgör en anmärkningsvärd lucka.
Detta protokoll visar byggandet av ett reservoarbaserat extruderingssystem som gör att material kan lagras i en spruta och pressas genom en nål. Detta system är idealisk för att tillverka ett brett utbud av material inklusive livsmedel6,polymerer7,och biomaterial8,9. Dessutom är reservoarbaserade extruderingstekniker vanligtvis mindre farliga, billigare och lättare att använda än andra 3D-utskriftsmetoder.
Det finns ett växande antal universitetsledda team som utformar och släpper 3D-utskriftssystem med öppen källkod till allmänheten. Från och med Fab@Home extrudering-baserade skrivare i 200710,11, forskare syftar till att skapa en enkel och billig plattform för att driva snabb expansion i 3D-utskriftsteknik och applikationer. Senare under 2011 syftade RepRap-projektet till att skapa en glödtrådsbaserad 3D-utskriftsplattform utformad med delar gjorda av 3D-utskrift, med målet att skapa en självreplikerande maskin12. Kostnaden för 3D-skrivare har sjunkit under åren, från $ 2300 USD för en Fab@Home (2006), $ 573 USD för en RepRap v1 (2005), och $ 400 USD för v2 (2011).
I tidigare arbete visade vi hur ett off-the-self 3D-utskriftssystem kunde kombineras med ett anpassat reservoarbaserat extruderingssystem för att skapa komplexa 3D-objekt från choklad13. Ytterligare designundersökning har visat att betydande kostnadsbesparingar kan uppnås jämfört med denna prototypdesign.
Syftet med detta protokoll är att ge instruktioner för byggandet av en billig reservoarbaserad smältextrudering 3D-skrivare. Presenteras här är detaljerade diagram, ritningar, filer och komponentlistor för att möjliggöra korrekt konstruktion och drift av en 3D-skrivare. Alla komponenter finns på plattformen för öppen källkod (creative commons noncommercial) https://www.thingiverse.com/Addme/collections, vilket gör att användarna kan ändra eller lägga till ytterligare funktioner som önskas. Viscous grädde, choklad och pluroniska F-127 (en modell för bioinks) används för att utvärdera prestanda ADDME och visa tillämpningav ADDME 3D-skrivare till biomedicinska och livsmedelstryck industrier.
En laserskärare som kan skära akryl och en stationär 3D-skrivare som kan skriva ut PLA eller ABS-glödtrådar krävs för detta protokoll. En bearbetad värmejacka och värmepatron eller silikonvärmare kan användas för att värma materialet, beroende på vilken utrustning operatören har tillgång till. Alla CAD-filer finns på https://www.thingiverse.com/Addme/designs. För firmware och programvara för att styra 3D-skrivare, http://marlinfw.org/meta/download/ och https://www.repetier.com/ tillhandahålls resurser, respektive. Detaljerade instruktioner om styrkortet finns i https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det här protokollet innehåller detaljerade instruktioner för att konstruera en lågkostnadssmältningsbaserad 3D-skrivare. Konstruktion av 3D-skrivaren kan delas upp i underavsnitt inklusive ram, y-axel/säng, x-axel, extruder, elektronik och programvara. Dessa underavsnitt presenteras med detaljerade diagram, ritningar, filer och reservdelslistor. Det totala priset för en ADDME 3D-skrivare kommer till $ 343 AUD ($ 245 USD per 2019-01-17), vilket gör detta till den billigaste, reservoarbaserade smälta extrudering 3…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna forskning fick inga särskilda bidrag från finansieringsorgan inom den offentliga, kommersiella eller ideella sektorn. Särskilt tack till Florian Schmittner, Sandro Gorka, Gurinder Singh, Vincent Tran och Dominik Vu för deras bidrag på en tidigare prototyp av designen.
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).
