Progettazione di una stampante 3D Open-Source, a basso costo per l'estrusione di bioink e di fusione alimentare
Summary
L’obiettivo di questo lavoro è quello di progettare e costruire una stampante tridimensionale di estrusione di fusione basata su serbatoio realizzata con componenti open source e a basso costo per applicazioni nell’industria biomedica e della stampa alimentare.
Abstract
La stampa tridimensionale (3D) è una tecnica di produzione sempre più popolare che consente di fabbricare oggetti altamente complessi senza costi di retooling. Questa crescente popolarità è in parte guidata dalla caduta delle barriere all’ingresso, come i costi di configurazione del sistema e la facilità d’uso. Il seguente protocollo presenta la progettazione e la costruzione di una stampante 3D Additive Manufacturing Melt Etrusion (ADDME) per la fabbricazione di parti e componenti personalizzati. ADDME è stato progettato con una combinazione di componenti stampati in 3D, tagliati al laser e di provenienza online. Il protocollo è organizzato in sezioni facili da seguire, con diagrammi dettagliati ed elenchi di parti sotto le intestazioni di inquadratura, asse y e letto, asse x, estrusione, elettronica e software. Le prestazioni di ADDME vengono valutate attraverso test di estrusione e stampa 3D di oggetti complessi utilizzando crema viscosa, cioccolato e F-127 pluronico (un modello per bioinks). I risultati indicano che ADDME è una piattaforma capace per la fabbricazione di materiali e costrutti per l’uso in una vasta gamma di settori. La combinazione di diagrammi dettagliati e contenuti video facilita l’accesso a apparecchiature a basso costo e facili da usare per gli individui interessati alla stampa 3D di oggetti complessi da una vasta gamma di materiali.
Introduction
La produzione additiva è una potente tecnologia di produzione che ha il potenziale di fornire un valore significativo al paesaggio industriale1,2. Le caratteristiche interessanti della produzione additiva non comportano costi di utensili, elevati livelli di personalizzazione, geometrie complesse e riduzioni dei costi di ingresso. Nessun costo di riattrezzo consente la produzione rapida di prototipi, che è auspicabile quando si cerca di diminuire il “time to market”, che è un obiettivo critico delle industrie delle nazioni sviluppate che cercano di rimanere competitive rispetto ai concorrenti a bassosalario 1. Alti livelli di personalizzazione consentono di fabbricare un’ampia varietà di prodotti con geometrie complesse. Quando questi fattori sono combinati con i bassi costi per l’installazione, i materiali e la specializzazione degli operatori, vi è un chiaro valore delle tecnologie di produzione additiva3.
La produzione additiva, chiamata anche stampa 3D, comporta la fabbricazione strato per strato di un oggetto in un sistema computerizzato a controllo numerico (CNC)3. A differenza dei tradizionali processi CNC come la fresatura, in cui il materiale viene rimosso da un foglio o da un blocco di materiale, un sistema di stampa 3D aggiunge materiale nella struttura desiderata strato per strato.
La stampa 3D può essere facilitata attraverso una serie di metodi tra cui laser, flash, estrusione o tecnologie di jetting4. La tecnologia specifica impiegata determina la forma della materia prima (cioè polvere o fusione), nonché le proprietà reologiche e termiche necessarie per lalavorazione 5. Il mercato della stampa 3D basato sull’estrusione è dominato da sistemi basati su filamenti, che è dovuto al fatto che i filamenti sono facili da gestire, elaborare e fornire continuamente grandi volumi di materiale alla testa di estrusione. Tuttavia, questo processo è limitato dal tipo di materiale in grado di essere formato in filamenti (principalmente termoplastiche). La maggior parte dei materiali non esiste in forma di filamento, e la mancanza di moderne piattaforme a basso costo sul mercato rappresenta un notevole divario.
Questo protocollo mostra la costruzione di un sistema di estrusione basato su serbatoio che consente di conservare i materiali in una siringa ed estruso attraverso un ago. Questo sistema è ideale per produrre una vasta gamma di materiali tra cui alimenti6, polimeri7e biomateriali8,9. Inoltre, le tecniche di estrusione basate su serbatoio sono in genere meno pericolose, a costi inferiori e più facili da usare rispetto ad altri metodi di stampa 3D.
C’è un numero crescente di team guidati dall’università che progettano e rilasciano sistemi di stampa 3D open source al pubblico. A partire dalla Fab@Home stampante basata sull’estrusione nel 200710,11, i ricercatori hanno cercato di creare una piattaforma semplice ed economica per guidare la rapida espansione nella tecnologia e nelle applicazioni di stampa 3D. Più tardi, nel 2011, il progetto RepRap mirava a creare una piattaforma di stampa 3D basata sul filamento progettata con parti realizzate con la stampa 3D, con l’obiettivo di creare una macchina auto-replicante12. Il costo delle stampanti 3D è sceso nel corso degli anni, da 2300 USD per un Fab@Home (2006), 573 USD per un RepRap v1 (2005) e 400 USD per v2 (2011).
Nel lavoro precedente, abbiamo dimostrato come un sistema di stampa 3D off-the-self potrebbe essere combinato con un sistema di estrusione basato su serbatoio personalizzato per creare oggetti 3D complessi dal cioccolato13. Un’ulteriore indagine progettuale ha dimostrato che è possibile ottenere notevoli risparmi sui costi rispetto a questo prototipo.
L’obiettivo di questo protocollo è quello di fornire istruzioni per la costruzione di una stampante 3D di estrusione di fusione a basso costo basata su serbatoio. Sono presentati diagrammi dettagliati, disegni, file ed elenchi di componenti per consentire la corretta costruzione e funzionamento di una stampante 3D. Tutti i componenti sono ospitati sulla piattaforma open-source (creative commons noncommercial) https://www.thingiverse.com/Addme/collections, che consente agli utenti di modificare o aggiungere funzionalità aggiuntive come desiderato. Crema viscosa, cioccolato, e Pluronic F-127 (un modello per bioinks) sono utilizzati per valutare le prestazioni di ADDME e dimostrare l’applicazione della stampante 3D ADDME per l’industria biomedica e stampa alimentare.
Per questo protocollo è necessaria una fresa laser in grado di tagliare l’acrilico e una stampante 3D desktop in grado di stampare filamenti PLA o ABS. Una giacca riscaldante lavorata e una cartuccia riscaldatrice o un riscaldatore in silicone possono essere utilizzati per riscaldare il materiale, a seconda dell’apparecchiatura a cui l’operatore ha accesso. Tutti i file CAD sono disponibili allhttps://www.thingiverse.com/Addme/designs. Affinché il firmware e il software controllino la stampante 3D, http://marlinfw.org/meta/download/ e https://www.repetier.com/ sono disponibili rispettivamente risorse. Per istruzioni dettagliate sulla scheda di controllo, vedere https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4.
Protocol
Representative Results
Discussion
Questo protocollo fornisce istruzioni dettagliate per la costruzione di una stampante 3D basata sull’estrusione di fusione a basso costo. La costruzione della stampante 3D può essere suddivisa in sottosezioni, tra cui telaio, asse y/letto, asse x, estrusore, elettronica e software. Queste sottosezioni sono presentate con diagrammi dettagliati, disegni, file ed elenchi di parti. Il prezzo totale di una stampante 3D ADDME arriva a 343 dollari AUD (245 USD a partire dal 01/17/2019), rendendolo la stampante 3D di fusione pi…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questa ricerca non ha ricevuto sovvenzioni specifiche da parte di agenzie di finanziamento nei settori pubblico, commerciale o senza scopo di lucro. Un ringraziamento speciale a Florian Schmittner, Sandro Gorka, Gurinder Singh, Vincent Tran e Dominik Vu per il loro contributo su un precedente prototipo del progetto.
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 |
Riferimenti
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