Design eines 3D-Druckers für Open-Source- und Low-Cost-Bioink und Lebensmittelschmelzextrusion
Summary
Ziel dieser Arbeit ist es, einen behälterbasierten Schmelzextrusions-Dreidimensionaldrucker aus Open-Source- und Low-Cost-Komponenten für Anwendungen in der Biomedizin- und Lebensmitteldruckindustrie zu konstruieren und zu konstruieren.
Abstract
Der dreidimensionale (3D) Druck ist eine immer beliebter werdende Fertigungstechnik, mit der hochkomplexe Objekte ohne Umrüstkosten hergestellt werden können. Diese zunehmende Popularität ist zum Teil auf sinkende Eintrittsbarrieren wie Systemaufbaukosten und einfache Bedienung zurückzuführen. Das folgende Protokoll stellt die Konstruktion und Konstruktion eines ADDME-3D-Druckers (Additive Manufacturing Melt Extrusion) für die Herstellung von kundenspezifischen Teilen und Komponenten vor. ADDME wurde mit einer Kombination aus 3D-gedruckten, lasergeschnittenen und Online-Komponenten entwickelt. Das Protokoll ist in leicht verständliche Abschnitte mit detaillierten Diagrammen und Teilelisten unter den Überschriften Framing, y-Achse und Bett, x-Achse, Extrusion, Elektronik und Software angeordnet. Die Leistung von ADDME wird durch Extrusionstests und 3D-Druck komplexer Objekte mit viskoser Creme, Schokolade und Pluronic F-127 (ein Modell für Bioinks) bewertet. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass ADDME eine leistungsfähige Plattform für die Herstellung von Materialien und Konstrukten für den Einsatz in einer Vielzahl von Branchen ist. Die Kombination aus detaillierten Diagrammen und Videoinhalten erleichtert Personen, die sich für den 3D-Druck komplexer Objekte aus einer Vielzahl von Materialien interessieren, den Zugang zu kostengünstigen, einfach zu bedienenden Geräten.
Introduction
Additive Fertigung ist eine leistungsstarke Fertigungstechnologie, die das Potenzial hat, einen signifikanten Wert für die Industrielandschaft zu bieten1,2. Die attraktiven Eigenschaften der additiven Fertigung beinhalten keine Werkzeugkosten, hohe Anpassungsmöglichkeiten, komplexe Geometrien und reduzierte Eintrittsbarrieren. Keine Umrüstkosten erlauben die schnelle Herstellung von Prototypen, was wünschenswert ist, wenn man versucht, die “Time to Market” zu verringern, was ein kritisches Ziel der Industrien in den Industrieländern ist, die versuchen, gegenüber Niedriglohnkonkurrenten wettbewerbsfähig zu bleiben1. Eine hohe Anpassbarkeit ermöglicht die Herstellung einer Vielzahl von Produkten mit komplexen Geometrien. Wenn diese Faktoren mit den niedrigen Kosten für Einrichtung, Materialien und Spezialisierung des Bedieners kombiniert werden, gibt es einen klaren Wert der additiven Fertigungstechnologien3.
Additive Fertigung, auch 3D-Druck genannt, beinhaltet Schicht-für-Schicht-Fertigung eines Objekts in einem computernumerischen gesteuerten (CNC) System3. Im Gegensatz zu herkömmlichen CNC-Prozessen wie dem Fräsen, bei denen Material aus einem Blech oder Materialblock entfernt wird, fügt ein 3D-Drucksystem Material Schicht für Schicht Material in die gewünschte Struktur ein.
Der 3D-Druck kann durch eine Reihe von Methoden wie Laser-, Blitz-, Extrusions- oderJetting-Technologien4 erleichtert werden. Die eingesetzte spezifische Technologie bestimmt die Form des Rohmaterials (d.h. Pulver oder Schmelze) sowie die rheologischen und thermischen Eigenschaften, die für die Verarbeitung erforderlich sind5. Der extrusionsbasierte 3D-Druckmarkt wird von filamentbasierten Systemen dominiert, die darauf zurückzuführen sind, dass Filamente einfach zu handhaben, zu verarbeiten und kontinuierlich große Materialmengen an den Extrusionskopf liefern. Dieser Prozess wird jedoch durch die Art des Materials begrenzt, das zu Filamenten (hauptsächlich Thermoplasten) geformt werden kann. Die meisten Materialien existieren nicht in Filamentform, und der Mangel an modernen Low-Cost-Plattformen auf dem Markt stellt eine bemerkenswerte Lücke dar.
Dieses Protokoll zeigt den Aufbau eines reservoirbasierten Extrusionssystems, mit dem Materialien in einer Spritze gelagert und durch eine Nadel extrudiert werden können. Dieses System ist ideal geeignet, um eine breite Palette von Materialien einschließlich Lebensmittel6, Polymere7und Biomaterialien8,9. Darüber hinaus sind reservoirbasierte Extrusionstechniken in der Regel weniger gefährlich, kostengünstiger und einfacher zu bedienen als andere 3D-Druckverfahren.
Es gibt eine wachsende Anzahl von universitären Teams, die Open-Source-3D-Drucksysteme entwerfen und veröffentlichen. Beginnend mit dem Fab@Home Extrusionsdrucker im Jahr 200710,11, wollten die Forscher eine einfache und kostengünstige Plattform schaffen, um eine schnelle Expansion in der 3D-Drucktechnologie und -anwendungen voranzutreiben. Später im Jahr 2011 zielte das RepRap-Projekt darauf ab, eine filamentbasierte 3D-Druckplattform zu schaffen, die mit Teilen aus 3D-Druck entworfen wurde, mit dem Ziel, eine sich selbst replizierende Maschine zu erstellen12. Die Kosten für 3D-Drucker sind im Laufe der Jahre gesunken, von 2300 USD für eine Fab@Home (2006), 573 USD für einen RepRap v1 (2005) und 400 USD für v2 (2011).
In früheren Arbeiten haben wir gezeigt, wie ein selbstabgelassenes 3D-Drucksystem mit einem benutzerdefinierten reservoirbasierten Extrusionssystem kombiniert werden kann, um komplexe 3D-Objekte aus Schokolade zu erstellen13. Eine weitere Konstruktionsuntersuchung hat gezeigt, dass im Vergleich zu diesem Prototypenentwurf erhebliche Kosteneinsparungen erzielt werden können.
Ziel dieses Protokolls ist es, Anweisungen für den Bau eines kostengünstigen, auf Reservoir basierenden Schmelzextrusions-3D-Druckers zu geben. Hier sind detaillierte Diagramme, Zeichnungen, Dateien und Komponentenlisten dargestellt, um den erfolgreichen Aufbau und Betrieb eines 3D-Druckers zu ermöglichen. Alle Komponenten werden auf der Open-Source-Plattform (Creative Commons noncommercial) https://www.thingiverse.com/Addme/collectionsgehostet, die es Benutzern ermöglicht, nach Belieben zusätzliche Funktionen zu ändern oder hinzuzufügen. Viskose Creme, Schokolade und Pluronic F-127 (ein Modell für Bioinks) werden verwendet, um die Leistung von ADDME zu bewerten und die Anwendung des ADDME 3D-Druckers in der Biomedizin- und Lebensmitteldruckindustrie zu demonstrieren.
Für dieses Protokoll sind ein Laserschneider zum Schneiden von Acryl und ein Desktop-3D-Drucker erforderlich, der PLA- oder ABS-Filamente drucken kann. Je nachdem, zu welchem Gerät der Bediener Zugang hat, kann ein bearbeiteter Heizmantel und eine Heizpatrone oder eine Silikonheizung verwendet werden. Alle CAD-Dateien finden Sie unter https://www.thingiverse.com/Addme/designs. Für Firmware und Software zur Steuerung des 3D-Druckers werden http://marlinfw.org/meta/download/ und https://www.repetier.com/ Ressourcen bereitgestellt. Ausführliche Anweisungen zur Leitstelle finden Sie unter https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieses Protokoll enthält detaillierte Anweisungen zum Erstellen eines kostengünstigen 3D-Druckers auf Schmelzeextrusionsbasis. Die Konstruktion des 3D-Druckers kann in Unterabschnitte wie Rahmen, Y-Achse/Bett, x-Achse, Extruder, Elektronik und Software unterteilt werden. Diese Unterabschnitte werden mit detaillierten Diagrammen, Zeichnungen, Dateien und Teilelisten präsentiert. Der Gesamtpreis eines ADDME 3D-Druckers beträgt 343 AUD (245 USD per 17.01.2019), was dies zum billigsten, reservoirbasierten Schmelzextrusio…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Forschung erhielt keine spezifischen Zuschüsse von Förderstellen in den Bereichen öffentliche, kommerzielle oder gemeinnützige Zwecke. Besonderer Dank geht an Florian Schmittner, Sandro Gorka, Gurinder Singh, Vincent Tran und Dominik Vu für ihren Beitrag zu einem früheren Prototyp des Designs.
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 |
Referências
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