设计开源、低成本生物墨水和食品熔炼挤出3D打印机
Summary
这项工作的目的是设计和建造一种基于储层的熔融挤出三维打印机，该打印机由开源和低成本组件制成，用于生物医学和食品印刷行业。
Abstract
三维 （3D） 打印是一种日益流行的制造技术，它允许制造高度复杂的物体，无需重新加工成本。这种日益普及的部分原因在于进入壁垒的下降，如系统设置成本和操作简便性。以下协议介绍了用于制造定制零件和组件的增材制造熔体挤出 （ADDME） 3D 打印机的设计和构造。ADDME 采用 3D 打印、激光切割和在线采购组件的组合进行设计。该协议被安排成易于遵循的部分，在框架、y 轴和床、x 轴、挤出、电子和软件的标题下包含详细的图表和部件列表。ADDME 的性能通过挤出测试和使用粘性奶油、巧克力和 Pluronic F-127（生物油墨模型）的复杂物体的 3D 打印来评估。结果表明，ADDME是一个能够制造材料的平台，用于各种行业的结构。详细图表和视频内容的组合便于对复杂物体进行 3D 打印的个人访问低成本、易于操作的设备。
Introduction
增材制造是一种强大的制造技术，有可能为工业景观1、2提供显著价值。增材制造极具吸引力的特点，不涉及刀具成本、高定制水平、复杂的几何形状以及降低进入成本的障碍。任何改装成本都不允许快速制造原型，这是试图缩短”上市时间”时可取的，这是发达国家试图保持对低工资竞争对手竞争力的关键目标。高度的可定制性允许使用复杂的几何形状制造各种各样的产品。当这些因素与设置、材料和操作员专业化的低成本相结合时，增材制造技术具有明显的价值3。
增材制造，也称为3D打印，涉及在计算机数控（CNC）系统中逐层制造物体3。与传统的 CNC 工艺（如铣削）不同，3D 打印系统逐层将材料添加到所需的结构中， 从纸张或材料块中去除材料。
3D打印可以通过一系列方法，包括激光，闪光，挤出，或喷射技术4。采用的特定技术决定了原材料的形式（即粉末或熔体），以及加工所需的电融和热特性。基于挤出的 3D 打印市场以长丝系统为主，这是因为长丝易于处理、加工，并不断向挤出头提供大量材料。然而，这一过程受到能够形成长丝（主要是热塑性塑料）的材料类型的限制。大多数材料并不以长丝形式存在，市场上缺乏现代低成本平台，这是一个明显的差距。
该协议显示了基于储层的挤出系统的构建，允许将材料储存在注射器中并通过针头挤出。该系统非常适合制造各种材料，包括食品6、聚合物7和生物材料8、9。此外，与其他 3D 打印方法相比，基于储层的挤出技术通常危害性小、成本更低且更易于操作。
越来越多的大学领导的团队设计和向公众发布开源 3D 打印系统。从2007年10月11日Fab@Home挤出式打印机开始，研究人员的目标是创建一个简单而廉价的平台，以推动3D打印技术和应用的快速扩展。2011 年晚些时候，RepRap 项目旨在创建一个基于长丝的 3D 打印平台，该平台由 3D 打印部件设计，目标是创建一个自我复制机器12。多年来，3D打印机的成本一直在下降，从2300美元Fab@Home（2006年），573美元对RepRap v1（2005年），和400美元v2（2011年）。
在之前的工作中，我们演示了如何将自体 3D 打印系统与基于储层的自定义挤出系统相结合，以从巧克力13创建复杂的 3D 对象。进一步的设计研究表明，与这种原型设计相比，可以节省大量成本。
该协议的目的是为建造低成本的储层型熔融挤出3D打印机提供说明。此处提供了详细的图表、图纸、文件和组件列表，以便成功构建和操作 3D 打印机。所有组件都托管在开源（创意共享非商业）平台上https://www.thingiverse.com/Addme/collections，允许用户根据需要更改或添加其他功能。粘性奶油、巧克力和普鲁尼克 F-127（生物油墨模型）用于评估 ADDME 的性能，并演示 ADDME 3D 打印机在生物医学和食品印刷行业的应用。
该协议需要能够切割丙烯酸的激光切割机和能够打印 PLA 或 ABS 灯丝的桌面 3D 打印机。机器加热护套和加热器盒或硅胶加热器可用于加热材料，具体取决于操作员可以使用的设备。所有CAD文件都可以在https://www.thingiverse.com/Addme/designs找到。对于控制 3D 打印机的固件和软件，分别提供了http://marlinfw.org/meta/download/和https://www.repetier.com/资源。有关控制板的详细说明，请参阅https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4。
Protocol
Representative Results
Discussion
该协议提供了构建低成本的基于熔融挤出的 3D 打印机的详细说明。3D 打印机的构造可以细分为多个部分，包括框架、y 轴/床、x 轴、挤出机、电子和软件。这些小节提供了详细的图表、图纸、文件和零件列表。ADDME 3D 打印机的总价为 343 澳元（截至 2019 年 17 月 17 日的 245 美元），是目前已知的最便宜的基于储层的熔融挤出 3D 打印机。它旨在通过使用激光切割、3D 打印和现成的组件，使该设备易于…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项研究没有得到公共、商业或非营利部门供资机构的任何具体资助。特别感谢弗洛里安·施密特纳、桑德罗·戈尔卡、古林德·辛格、文森特·特兰和多米尼克·武在早期设计原型上的贡献。
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 |
References
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