Design af en Open Source, Low-Cost Bioink og Food Melt Ekstrudering 3D Printer

Summary

Formålet med dette arbejde er at designe og konstruere en reservoirbaseret smelteekstrudering af tredimensionalprinter fremstillet af open source- og lavpriskomponenter til applikationer i den biomedicinske industri og fødevareudskrivningsindustrien.

Abstract

Tredimensionel (3D) udskrivning er en stadig mere populær fremstillingsteknik, der gør det muligt at fremstille meget komplekse objekter uden omføringsomkostninger. Denne stigende popularitet er til dels drevet af faldende adgangsbarrierer såsom systemopsætningsomkostninger og driftslethed. Følgende protokol præsenterer design og konstruktion af en Additive Manufacturing Melt Extrusion (ADDME) 3D printer til fremstilling af brugerdefinerede dele og komponenter. ADDME er designet med en kombination af 3D-printede, laserskårne og online-sourced komponenter. Protokollen er arrangeret i letatse sektioner, med detaljerede diagrammer og dele lister under overskrifterne indramning, y-akse og seng, x-akse, ekstrudering, elektronik og software. Addme’s ydeevne evalueres ved ekstruderingstest og 3D-print ning af komplekse genstande ved hjælp af tyktflydende creme, chokolade og pluronic F-127 (en model for bioinks). Resultaterne viser, at ADDME er en egnet platform til fremstilling af materialer og konstruktioner til brug i en lang række brancher. Kombinationen af detaljerede diagrammer og videoindhold letter adgangen til billigt udstyr, der er let at betjene, for personer, der er interesseret i 3D-print ning af komplekse genstande fra en lang række materialer.

Introduction

Additiv fremstilling er en stærk fremstillingsteknologi , der har potentiale til at give industrielt landskab¹,²en betydelig værdi . De attraktive funktioner i additiv fremstilling indebærer ingen værktøjsomkostninger, høje niveauer af tilpasning, komplekse geometrier, og reducerede hindringer for indgangsomkostninger. Ingen omstillingomkostninger giver mulighed for hurtig fremstilling af prototyper, hvilket er ønskeligt, når man forsøger at reducere “tid til markedet”, hvilket er et kritisk mål for industrier i udviklede lande, der forsøger at forblive konkurrencedygtige over for lavtlønskonkurrenter¹. Høje niveauer af customizability giver mulighed for en bred vifte af produkter, der skal fremstilles med komplekse geometrier. Når disse faktorer kombineres med de lave omkostninger til opsætning, materialer og operatørspecialisering, er der en klar værdi af additiv fremstillingsteknologi³.

Additiv fremstilling, også kaldet 3D-print, indebærer lag-for-lag fabrikation af et objekt i en computer numerisk kontrolleret (CNC) system³. I modsætning til traditionelle CNC-processer som fræsning, hvor materiale fjernes fra et ark eller materialeblok, tilføjer et 3D-printsystem materiale til den ønskede struktur lag for lag.

3D-print kan lettes gennem en række metoder, herunder laser, flash, ekstrudering, eller jetting teknologier⁴. Den anvendte specifikke teknologi bestemmer råvarens form (dvs. pulver eller smelte), samt de reologiske og termiske egenskaber, der kræves til forarbejdning⁵. Markedet for ekstruderingsbaseret 3D-print er domineret af filamentbaserede systemer, som skyldes, at glødetråder er nemme at håndtere, behandle og løbende levere store mængder materiale til ekstruderingshovedet. Denne proces er imidlertid begrænset af den type materiale, der kan dannes i filamenter (hovedsagelig termoplast). De fleste materialer findes ikke i filamentform, og manglen på moderne lavprisplatforme på markedet er et bemærkelsesværdigt hul.

Denne protokol viser opførelsen af et reservoir-baseret ekstruderingssystem, der gør det muligt at opbevare materialer i en sprøjte og ekstruderet gennem en nål. Dette system er velegnet til fremstilling af en bred vifte af materialer, herunder fødevarer⁶, polymerer⁷, og biomaterialer⁸,⁹. Desuden er reservoirbaserede ekstruderingsteknikker typisk mindre farlige, lavere omkostninger og lettere at betjene end andre 3D-udskrivningsmetoder.

Der er et stigende antal universitetsledede teams, der designer og frigiver open source 3D-printsystemer til offentligheden. Begyndende med Fab@Home ekstrudering-baseret printer i 2007¹⁰,¹¹, forskere har til formål at skabe en enkel og billig platform til at drive hurtig ekspansion i 3D-print teknologi og applikationer. Senere i 2011 havde RepRap-projektet til formål at skabe en glødefribaseret 3D-printplatform designet med dele fremstillet af 3D-udskrivning med det formål at skabe en selvkopierende maskine¹². Omkostningerne ved 3D-printere har været faldende i årenes løb, fra $ 2300 USD for en Fab@Home (2006), $ 573 USD for en RepRap v1 (2005), og $ 400 USD for v2 (2011).

I tidligere arbejde, viste vi, hvordan en off-the-self 3D print system kunne kombineres med en brugerdefineret reservoir-baseret ekstrudering system til at skabe komplekse 3D-objekter fra chokolade¹³. Yderligere designundersøgelse har vist, at der kan opnås betydelige omkostningsbesparelser i forhold til dette prototypedesign.

Formålet med denne protokol er at give instruktioner til opførelse af en billig reservoir-baseret smelte ekstrudering 3D-printer. Præsenteret her er detaljerede diagrammer, tegninger, filer og komponent lister for at tillade en vellykket konstruktion og drift af en 3D-printer. Alle komponenter er hostet på open source (creative commons ikke-kommercielle) platform https://www.thingiverse.com/Addme/collections, som giver brugerne mulighed for at ændre eller tilføje yderligere funktioner som ønsket. Viscous creme, chokolade og pluronic F-127 (en model for bioinks) bruges til at evaluere ydeevnen af ADDME og demonstrere anvendelsen af ADDME 3D-printeren til biomedicinske og fødevareudskrivning industrier.

En laserskærer, der kan skære akryl og en stationær 3D-printer, der kan udskrive PLA eller ABS-filamenter, er nødvendige for denne protokol. En bearbejdet varmejakke og varmelegemepatron eller silikonevarmer kan bruges til at opvarme materialet, afhængigt af hvilket udstyr operatøren har adgang til. Alle CAD-filer kan findes på https://www.thingiverse.com/Addme/designs. Til firmware og software til styring af 3D-printer, http://marlinfw.org/meta/download/ og https://www.repetier.com/ leveres ressourcer, henholdsvis. Du kan finde detaljerede instruktioner om kontrolkortet under https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4.

Protocol

FORSIGTIG: Der er risiko for forbrændinger forårsaget af varmt loddejern og varmepatroner. Varmepatronen må aldrig tændes, når den ikke er sikret inde i varmejakken. Der er også risiko for klemning eller flænger fra den bevægelige 3D-printerakse. 1. Oversigt og forberedelse BEMÆRK: Figur 1A viser en computergenereret gengivelse af printeren, og figur 1B er et billede…

Representative Results

Addme’s ydeevne under 3D-udskrivning blev evalueret ved hjælp af en tyktflydende creme (150 ml, Nivea håndcreme), chokolade (Cadbury, almindelig mælk) og Pluronic F-127 (Sigma Aldrich). Viskouscremen og chokoladen blev anvendt som det, og Pluronic blev opløst i en 20% wt opløsning med ultrarent vand og opbevares nedkølet ved 5 °C indtil det er nødvendigt14,15. Li…

Discussion

Denne protokol indeholder detaljerede instruktioner til konstruktion af en billig smelteekstruderingsbaseret 3D-printer. Konstruktion af 3D-printeren kan opdeles i undersektioner, herunder ramme, y-akse/seng, x-akse, ekstruder, elektronik og software. Disse underafsnit præsenteres med detaljerede diagrammer, tegninger, filer og reservedelslister. Den samlede pris på en ADDME 3D-printer kommer til $ 343 AUD ($ 245 USD fra 01/17/2019), hvilket gør dette til den billigste, reservoir-baserede smelte ekstrudering 3D printe…

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