Conception d’une imprimante 3D Open-Source, Low-Cost Bioink et Food Melt Extrusion
Summary
L’objectif de ce travail est de concevoir et de construire une imprimante tridimensionnelle à extrusion de fonte à base de réservoir faite à partir de composants open-source et à faible coût pour des applications dans les industries biomédicales et d’impression alimentaire.
Abstract
L’impression tridimensionnelle (3D) est une technique de fabrication de plus en plus populaire qui permet de fabriquer des objets très complexes sans frais de réoutillage. Cette popularité croissante est en partie attribuable à la baisse des obstacles à l’entrée, comme les coûts d’établissement du système et la facilité d’utilisation. Le protocole suivant présente la conception et la construction d’une imprimante 3D additif de fusion de fabrication (ADDME) pour la fabrication de pièces et de composants personnalisés. ADDME a été conçu avec une combinaison de composants imprimés en 3D, découpés au laser et en ligne. Le protocole est classé en sections faciles à suivre, avec des diagrammes détaillés et des listes de pièces sous les titres de cadrage, y-axe et lit, x-axe, extrusion, électronique et logiciel. La performance d’ADDME est évaluée par des tests d’extrusion et l’impression 3D d’objets complexes utilisant de la crème visqueuse, du chocolat et du F-127 pluronique (un modèle pour les bioinks). Les résultats indiquent que l’ADDME est une plate-forme capable pour la fabrication de matériaux et de constructions destinées à être utilisées dans un large éventail d’industries. La combinaison de diagrammes détaillés et de contenu vidéo facilite l’accès à des équipements peu coûteux et faciles à utiliser pour les personnes intéressées par l’impression 3D d’objets complexes à partir d’un large éventail de matériaux.
Introduction
La fabrication additive est une technologie de fabrication puissante qui a le potentiel de fournir une valeur significative au paysage industriel1,2. Les caractéristiques attrayantes de la fabrication additive n’impliquent aucun coût d’outillage, des niveaux élevés de personnalisation, des géométries complexes et des obstacles réduits aux coûts d’entrée. Aucun coût de réoutillage ne permet la fabrication rapide de prototypes, ce qui est souhaitable lorsqu’il s’agit de réduire le « temps de mise sur le marché », ce qui est un objectif essentiel des industries des pays développés qui tentent de rester compétitives face à leurs concurrents à bas salaires1. Des niveaux élevés de personnalisation permettent de fabriquer une grande variété de produits avec des géométries complexes. Lorsque ces facteurs sont combinés avec les faibles coûts d’aménagement, de matériaux et de spécialisation des opérateurs, il existe une valeur claire des technologies de fabrication additive3.
La fabrication additive, également appelée impression 3D, implique la fabrication couche par couche d’un objet dans un système d’ordinateur contrôlé numérique(CNC) 3. Contrairement aux processus CNC traditionnels tels que le fraisage, dans lequel le matériau est retiré d’une feuille ou d’un bloc de matériau, un système d’impression 3D ajoute du matériel dans la structure désirée couche par couche.
L’impression 3D peut être facilitée par une gamme de méthodes, y compris le laser, le flash, l’extrusion, ou les technologies de jetting4. La technologie spécifique utilisée détermine la forme de la matière première (c.-à-d. la poudre ou la fonte), ainsi que les propriétés rhéologiques et thermiques requises pour le traitement5. Le marché de l’impression 3D à base d’extrusion est dominé par des systèmes à filament, qui sont dus au fait que les filaments sont faciles à manipuler, à traiter et à fournir continuellement de grands volumes de matière à la tête d’extrusion. Cependant, ce processus est limité par le type de matériau pouvant être formé en filaments (principalement des thermoplastiques). La plupart des matériaux n’existent pas sous forme de filament, et l’absence de plates-formes modernes à faible coût sur le marché représente une lacune notable.
Ce protocole montre la construction d’un système d’extrusion à base de réservoir qui permet de stocker les matériaux dans une seringue et extrudés à travers une aiguille. Ce système est idéalement adapté pour fabriquer une large gamme de matériaux, y compris les aliments6, polymères7, et les biomatériaux8,9. De plus, les techniques d’extrusion basées sur les réservoirs sont généralement moins dangereuses, moins coûteuses et plus faciles à utiliser que les autres méthodes d’impression 3D.
De plus en plus d’équipes dirigées par des universités conçoivent et publient des systèmes d’impression 3D open source au public. En commençant par l’Fab@Home’imprimante basée sur l’extrusion en 200710,11, les chercheurs ont cherché à créer une plate-forme simple et bon marché pour conduire une expansion rapide de la technologie d’impression 3D et des applications. Plus tard en 2011, le projet RepRap visait à créer une plate-forme d’impression 3D basée sur le filament conçue avec des pièces fabriquées par impression 3D, dans le but de créer une machine auto-réplication12. Le coût des imprimantes 3D a diminué au fil des ans, passant de 2300 $ US pour un Fab@Home (2006), 573 $ US pour un RepRap v1 (2005), et 400 $ US pour v2 (2011).
Dans des travaux antérieurs, nous avons démontré comment un système d’impression 3D hors du soi pouvait être combiné avec un système d’extrusion à base de réservoir personnalisé pour créer des objets 3D complexes à partir de chocolat13. D’autres recherches de conception ont montré que des économies considérables peuvent être réalisées par rapport à cette conception prototype.
L’objectif de ce protocole est de fournir des instructions pour la construction d’une imprimante 3D à faible coût à base de réservoir. Présentés ici sont des diagrammes détaillés, des dessins, des fichiers et des listes de composants pour permettre la construction et l’exploitation réussies d’une imprimante 3D. Tous les composants sont hébergés sur la plate-forme open-source (creative commons non commercial) https://www.thingiverse.com/Addme/collections, ce qui permet aux utilisateurs de modifier ou d’ajouter des fonctionnalités supplémentaires comme vous le souhaitez. La crème visqueuse, le chocolat et le F-127 pluronique (un modèle pour les bioinks) sont utilisés pour évaluer les performances de l’ADDME et démontrer l’application de l’imprimante 3D ADDME aux industries biomédicales et d’impression alimentaire.
Un coupeur laser capable de couper l’acrylique et une imprimante 3D de bureau capable d’imprimer des filaments PLA ou ABS sont nécessaires pour ce protocole. Une veste chauffante usinée et une cartouche de chauffage ou un chauffe-eau en silicone peuvent être utilisés pour chauffer le matériau, selon l’équipement auquel l’opérateur a accès. Tous les fichiers CAO peuvent être trouvés à https://www.thingiverse.com/Addme/designs. Pour le firmware et les logiciels pour contrôler l’imprimante 3D, http://marlinfw.org/meta/download/ et https://www.repetier.com/ sont fournis des ressources, respectivement. Pour des instructions détaillées sur le tableau de contrôle, voir https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ce protocole fournit des instructions détaillées pour la construction d’une imprimante 3D à faible coût à base d’extrusion de fusion. La construction de l’imprimante 3D peut être décomposée en sous-sections, y compris le cadre, l’axe y/lit, l’axe X, l’extrudeur, l’électronique et le logiciel. Ces sous-sections sont présentées avec des diagrammes détaillés, des dessins, des fichiers et des listes de pièces. Le prix total d’une imprimante 3D ADDME s’élève à 343 $ AUD (245 $ US au 17/01/20…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette recherche n’a reçu aucune subvention spécifique d’organismes de financement des secteurs public, commercial ou sans but lucratif. Un merci spécial à Florian Schmittner, Sandro Gorka, Gurinder Singh, Vincent Tran et Dominik Vu pour leur contribution sur un prototype antérieur de la conception.
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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