Design av en åpen kildekode, lavpris bioink og matsmelteekstrudering 3D-skriver

Summary

Målet med dette arbeidet er å designe og konstruere en reservoarbasert smelteprofilering tredimensjonal skriver laget av åpen kildekode og rimelige komponenter for applikasjoner i biomedisinske og matutskriftsindustriene.

Abstract

Tredimensjonal (3D) utskrift er en stadig mer populær produksjonsteknikk som gjør at svært komplekse objekter kan fabrikkereuten retooling kostnader. Denne økende populariteten er delvis drevet av fallende barrierer for oppføring som systemoppsettkostnader og enkel drift. Følgende protokoll presenterer design og bygging av en Additiv Manufacturing Melt Extrusion (ADDME) 3D-skriver for fabrikasjon av tilpassede deler og komponenter. ADDME er designet med en kombinasjon av 3D-utskrevne, laserkuttede og nettbaserte komponenter. Protokollen er ordnet i enkle å følge seksjoner, med detaljerte diagrammer og delelister under overskriftene til innramming, y-akse og seng, x-akse, ekstrudering, elektronikk og programvare. Ytelsen til ADDME evalueres gjennom ekstruderingstesting og 3D-utskrift av komplekse gjenstander ved hjelp av viskøs krem, sjokolade og pluronic F-127 (en modell for bioinks). Resultatene indikerer at ADDME er en kompatibel plattform for fabrikasjon av materialer og konstruksjoner for bruk i et bredt spekter av bransjer. Kombinasjonen av detaljerte diagrammer og videoinnhold gir tilgang til rimelig, brukervennlig utstyr for personer som er interessert i 3D-utskrift av komplekse objekter fra et bredt spekter av materialer.

Introduction

Additiv produksjon er en kraftig produksjonsteknologi som har potensial til å gi betydelig verdi til industrilandskapet¹,². De attraktive funksjonene i additiv produksjon innebærer ingen verktøykostnader, høye nivåer av tilpasning, komplekse geometrier og reduserte barrierer for inngangskostnader. Ingen retooling kostnader tillate rask produksjon av prototyper, som er ønskelig når du prøver å redusere “tid til markedet”, som er et kritisk mål for næringer i utviklede nasjoner prøver å forbli konkurransedyktig mot lavlønnskonkurrenter¹. Høye nivåer av tilpassbarhet gjør det mulig for et bredt utvalg av produkter å bli fabrikkert med komplekse geometrier. Når disse faktorene kombineres med de lave kostnadene for oppsett, materialer og operatørspesialisering, er det en klar verdi av additiv produksjonsteknologier³.

Additiv produksjon, også kalt 3D-utskrift, innebærer lag-for-lag fabrikasjon av et objekt i en datamaskin numerisk kontrollert (CNC) system³. I motsetning til tradisjonelle CNC-prosesser som fresing, der materialet fjernes fra et ark eller en blokk med materiale, legger et 3D-utskriftssystem til materiale i ønsket struktur lag for lag.

3D-utskrift kan lettes gjennom en rekke metoder, inkludert laser- og blits-, ekstruderings- eller jettingteknologier⁴. Den spesifikke teknologien som brukes bestemmer formen av råstoffet (dvs. pulver eller smelte), samt de reologiske og termiske egenskapene som kreves for behandling⁵. Det ekstruderingsbaserte 3D-utskriftsmarkedet domineres av filamentbaserte systemer, som skyldes at filamenter er enkle å håndtere, behandle og kontinuerlig levere store mengder materiale til ekstruderingshodet. Denne prosessen er imidlertid begrenset av typen materiale som kan dannes til filamenter (hovedsakelig termoplast). De fleste materialer eksisterer ikke i filamentform, og mangelen på moderne lavkostplattformer i markedet representerer et bemerkelsesverdig gap.

Denne protokollen viser byggingen av et reservoarbasert ekstruderingssystem som gjør at materialer kan lagres i en sprøyte og ekstruderes gjennom en nål. Dette systemet er ideelt egnet til å produsere et bredt spekter av materialer, inkludert matvarer^6,polymerer^7,og biomaterialer^8,9. Videre er reservoarbaserte ekstruderingsteknikker vanligvis mindre farlige, lavere i kostnader og enklere å betjene enn andre 3D-utskriftsmetoder.

Det er et økende antall universitetsledede team som designer og slipper åpen kildekode 3D-utskriftssystemer til publikum. Fra og med den Fab@Home ekstruderingsbasert skriver i 2007¹⁰,¹¹, har forskerne som mål å skape en enkel og billig plattform for å drive rask ekspansjon i 3D-utskriftsteknologi og applikasjoner. Senere i 2011 hadde RepRap-prosjektet som mål å lage en filamentbasert 3D-utskriftsplattform designet med deler laget av 3D-utskrift, med mål om å lage en selvreplikerende maskin¹². Kostnaden for 3D-skrivere har falt gjennom årene, fra $ 2300 USD for en Fab@Home (2006), $ 573 USD for en RepRap v1 (2005), og $ 400 USD for v2 (2011).

I tidligere arbeid demonstrerte vi hvordan et off-the-self 3D-utskriftssystem kunne kombineres med et tilpasset reservoarbasert ekstruderingssystem for å skape komplekse 3D-objekter fra sjokolade¹³. Videre designundersøkelser har vist at betydelige kostnadsbesparelser kan oppnås i forhold til denne prototypedesignen.

Målet med denne protokollen er å gi instruksjoner for bygging av en lavpris reservoarbasert smelteprofilering 3D-skriver. Presentert her er detaljerte diagrammer, tegninger, filer og komponentlister for å tillate vellykket bygging og drift av en 3D-skriver. Alle komponenter ligger på open-source (creative commons noncommercial) plattform https://www.thingiverse.com/Addme/collections, som lar brukerne endre eller legge til flere funksjoner etter ønske. Viskøse krem, sjokolade og pluronic F-127 (en modell for bioinks) brukes til å evaluere ytelsen til ADDME og demonstrere anvendelseav ADDME 3D-skriveren til biomedisinske og matutskriftsindustriene.

En laserkutter som er i stand til å kutte akryl og en stasjonær 3D-skriver som er i stand til å skrive ut PLA- eller ABS-filamenter, kreves for denne protokollen. En maskinert varmejakke og varmeapparatpatron eller silikonvarmer kan brukes til å varme opp materialet, avhengig av hvilket utstyr operatøren har tilgang til. Alle CAD filer kan bli funnet på https://www.thingiverse.com/Addme/designs. For at fastvare og programvare skal kunne kontrollere 3D-skriveren, får http://marlinfw.org/meta/download/ og https://www.repetier.com/ ressurser. For detaljerte instruksjoner om kontrollkortet, se https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4.

Protocol

FORSIKTIG: Det er fare for brannskader forårsaket av varme loddejern og varmepatroner. Varmepatronen skal aldri drives når den ikke er festet inne i varmejakken. Det er også fare for klemming eller kutt fra den bevegelige 3D-skriveraksen. 1. Oversikt og forberedelse MERK: Figur 1A viser en datagenerert gjengivelse av skriveren, og figur 1B er et bilde av den ferdige skrive…

Representative Results

Ytelsen til ADDME under 3D-utskrift ble evaluert ved hjelp av en viskøs krem (150 ml, Nivea håndkrem), sjokolade (Cadbury, vanlig melk) og Pluronic F-127 (Sigma Aldrich). Den viskøse krem og sjokolade ble brukt som den er, og Pluronic ble oppløst i en 20% wt løsning med ultrarent vann og lagret nedkjølt ved 5 ° C til nødvendig14,15. Linjetesting innebar å skrive…

Discussion

Denne protokollen inneholder detaljerte instruksjoner for bygging av en rimelig smelteekstruderingsbasert 3D-skriver. Byggingen av 3D-skriveren kan deles inn i underseksjoner, inkludert ramme, y-akse/seng, x-akse, ekstruder, elektronikk og programvare. Disse underdelene presenteres med detaljerte diagrammer, tegninger, filer og delelister. Den totale prisen på en ADDME 3D-skriver kommer til $ 343 AUD ($ 245 USD per 01/17/2019), noe som gjør dette til den billigste, reservoarbaserte smelteekstruderings3D-skriveren som f…

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