Diseño de una impresora 3D de extrusión de biotinta y fusión de alimentos de código abierto y bajo costo
Summary
El objetivo de este trabajo es diseñar y construir una impresora tridimensional de extrusión de fusión basada en reservorios hecha de componentes de código abierto y de bajo costo para aplicaciones en las industrias biomédica y de impresión de alimentos.
Abstract
La impresión tridimensional (3D) es una técnica de fabricación cada vez más popular que permite fabricar objetos muy complejos sin costes de reconfiguración. Esta creciente popularidad está impulsada en parte por la caída de las barreras de entrada, como los costos de configuración del sistema y la facilidad de operación. El siguiente protocolo presenta el diseño y la construcción de una impresora 3D Additive Manufacturing Melt Extrusion (ADDME) para la fabricación de piezas y componentes personalizados. ADDME ha sido diseñado con una combinación de componentes impresos en 3D, cortados por láser y de origen en línea. El protocolo se organiza en secciones fáciles de seguir, con diagramas detallados y listas de piezas bajo los encabezados de enmarcado, eje Y y cama, eje X, extrusión, electrónica y software. El rendimiento de ADDME se evalúa mediante pruebas de extrusión e impresión 3D de objetos complejos utilizando crema viscosa, chocolate y Pluronic F-127 (un modelo para biotintas). Los resultados indican que ADDME es una plataforma capaz para la fabricación de materiales y construcciones para su uso en una amplia gama de industrias. La combinación de diagramas detallados y contenido de vídeo facilita el acceso a equipos de bajo costo y fáciles de operar para personas interesadas en la impresión 3D de objetos complejos a partir de una amplia gama de materiales.
Introduction
La fabricación aditiva es una potente tecnología de fabricación que tiene el potencial de aportar un valor significativo al paisaje industrial1,2. Las características atractivas de la fabricación aditiva implican sin costos de herramientas, altos niveles de personalización, geometrías complejas y barreras reducidas a los costos de entrada. Ningún costo de reacondiciono permite la rápida fabricación de prototipos, lo cual es deseable cuando se trata de disminuir el “tiempo de comercialización”, que es un objetivo crítico de las industrias en las naciones desarrolladas que tratan de seguir siendo competitivos contra los competidores de bajos salarios1. Los altos niveles de personalización permiten fabricar una amplia variedad de productos con geometrías complejas. Cuando estos factores se combinan con los bajos costos de configuración, materiales y especialización del operador, hay un valor claro de las tecnologías de fabricación aditiva3.
La fabricación aditiva, también llamada impresión 3D, implica la fabricación capa por capa de un objeto en un sistema de control numérico por ordenador (CNC)3. A diferencia de los procesos CNC tradicionales, como el fresado, en el que el material se elimina de una hoja o bloque de material, un sistema de impresión 3D añade material a la estructura deseada capa por capa.
La impresión 3D se puede facilitar a través de una serie de métodos, incluyendo tecnologías láser, flash, extrusión o chorro4. La tecnología específica empleada determina la forma de la materia prima (es decir, polvo o fusión), así como las propiedades reológicas y térmicas necesarias para el procesamiento5. El mercado de impresión 3D basado en extrusión está dominado por sistemas basados en filamentos, lo que se debe a que los filamentos son fáciles de manejar, procesar y suministrar continuamente grandes volúmenes de material al cabezal de extrusión. Sin embargo, este proceso está limitado por el tipo de material que se puede formar en filamentos (principalmente termoplásticos). La mayoría de los materiales no existen en forma de filamento, y la falta de plataformas modernas de bajo costo en el mercado representa una brecha notable.
Este protocolo muestra la construcción de un sistema de extrusión a base de depósito que permite almacenar materiales en una jeringa y extruir a través de una aguja. Este sistema es ideal para fabricar una amplia gama de materiales, incluyendo alimentos6,polímeros7y biomateriales8,9. Además, las técnicas de extrusión basadas en depósitos suelen ser menos peligrosas, de menor costo y más fáciles de operar que otros métodos de impresión 3D.
Cada vez hay más equipos dirigidos por la universidad que diseñan y lanzan al público sistemas de impresión 3D de código abierto. Comenzando con la Fab@Home impresora basada en extrusión en 200710,11, los investigadores tenían como objetivo crear una plataforma simple y barata para impulsar una rápida expansión en la tecnología y aplicaciones de impresión 3D. Más tarde, en 2011, el proyecto RepRap tenía como objetivo crear una plataforma de impresión 3D basada en filamentos diseñada con piezas hechas por impresión 3D, con el objetivo de crear una máquina autorreplicante12. El costo de las impresoras 3D ha estado cayendo a lo largo de los años, desde $2300 USD por un Fab@Home (2006), $573 USD para un RepRap v1 (2005), y $400 USD para v2 (2011).
En trabajos anteriores, demostramos cómo un sistema de impresión 3D fuera de sí mismo podría combinarse con un sistema de extrusión personalizado basado en reservorios para crear objetos 3D complejos a partir de chocolate13. Una mayor investigación de diseño ha demostrado que se pueden lograr ahorros considerables de costos en comparación con este diseño de prototipo.
El objetivo de este protocolo es proporcionar instrucciones para la construcción de una impresora 3D de extrusión de fusión a base de reservorio de bajo costo. Aquí se presentan diagramas detallados, dibujos, archivos y listas de componentes para permitir la construcción y el funcionamiento con éxito de una impresora 3D. Todos los componentes están alojados en la plataforma de código abierto (creative commons noncommercial) https://www.thingiverse.com/Addme/collections,lo que permite a los usuarios cambiar o agregar características adicionales como desee. Crema viscosa, chocolate y Pluronic F-127 (un modelo para biotintas) se utilizan para evaluar el rendimiento de ADDME y demostrar la aplicación de la impresora 3D ADDME a las industrias biomédica y de impresión alimentaria.
Para este protocolo se requiere un cortador láser capaz de cortar acrílico y una impresora 3D de escritorio capaz de imprimir filamentos PLA o ABS. Una chaqueta de calentamiento mecanizada y un cartucho de calentador o calentador de silicona se pueden utilizar para calentar el material, dependiendo del equipo al que el operador tenga acceso. Todos los archivos CAD se pueden encontrar en https://www.thingiverse.com/Addme/designs. Para que el firmware y el software controlen la impresora 3D, http://marlinfw.org/meta/download/ y https://www.repetier.com/ se proporcionan recursos, respectivamente. Para obtener instrucciones detalladas sobre la placa de control, consulte https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este protocolo proporciona instrucciones detalladas para construir una impresora 3D basada en extrusión de fusión de bajo costo. La construcción de la impresora 3D se puede dividir en subsecciones, incluyendo marco, eje Y/cama, eje X, extrusor, electrónica y software. Estas subsecciones se presentan con diagramas detallados, dibujos, archivos y listas de piezas. El precio total de una impresora 3D ADDME llega a $343 AUD ($245 USD a partir del 01/17/2019), lo que la convierte en la impresora 3D de extrusión de fusió…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta investigación no recibió ninguna donación específica de agencias de financiación en los sectores público, comercial o sin fines de lucro. Agradecimiento especial a Florian Schmittner, Sandro Gorka, Gurinder Singh, Vincent Tran y Dominik Vu por su contribución en un prototipo anterior del diseño.
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
- 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).
