Ontwerp van een Open-Source, Low-Cost Bioink en Food Melt Extrusie 3D Printer
Summary
Het doel van dit werk is het ontwerpen en bouwen van een reservoir gebaseerde smeltextrusie driedimensionale printer gemaakt van open-source en low-cost componenten voor toepassingen in de biomedische en food printing industrie.
Abstract
Driedimensionaal (3D) printen is een steeds populairder wordende productietechniek waarmee zeer complexe objecten kunnen worden vervaardigd zonder retoolingkosten. Deze toenemende populariteit wordt deels gedreven door dalende toetredingsdrempels zoals systeemopstelkosten en bedieningsgemak. Het volgende protocol presenteert het ontwerp en de constructie van een Additive Manufacturing Melt Extrusie (ADDME) 3D printer voor de fabricage van aangepaste onderdelen en componenten. ADDME is ontworpen met een combinatie van 3D-geprinte, lasergesneden en online geproduceerde componenten. Het protocol is gerangschikt in gemakkelijk te volgen secties, met gedetailleerde diagrammen en onderdelen lijsten onder de koppen van framing, y-as en bed, x-as, extrusie, elektronica en software. De prestaties van ADDME worden geëvalueerd door extrusietesten en 3D-printen van complexe objecten met viskeuze crème, chocolade en Pluronische F-127 (een model voor bioinks). De resultaten geven aan dat ADDME een geschikt platform is voor de fabricage van materialen en constructies voor gebruik in een breed scala van industrieën. De combinatie van gedetailleerde diagrammen en video-inhoud vergemakkelijkt de toegang tot goedkope, eenvoudig te bedienen apparatuur voor personen die geïnteresseerd zijn in 3D-printen van complexe objecten uit een breed scala aan materialen.
Introduction
Additive manufacturing is een krachtige productietechnologie die het potentieel heeft om aanzienlijke waarde te bieden aan het industriële landschap1,2. De aantrekkelijke kenmerken van additieve productie omvatten geen gereedschapskosten, hoge niveaus van aanpassing, complexe geometrieën en verminderde belemmeringen voor toegangskosten. Geen retooling kosten zorgen voor de snelle productie van prototypes, die wenselijk is bij het proberen om “time-to-market” te verminderen, dat is een kritisch doel van industrieën in ontwikkelde landen proberen concurrerend te blijven tegen lage lonen concurrenten1. Hoge niveaus van maatwerk zorgen voor een breed scala van producten worden vervaardigd met complexe geometrieën. Wanneer deze factoren worden gecombineerd met de lage kosten voor de opzet, materialen en de specialisatie van de operator, is er een duidelijke waarde van additieve productietechnologieën3.
Additive manufacturing, ook wel 3D-printen genoemd, omvat laag-voor-laag fabricage van een object in een computer numeriek gestuurd (CNC) systeem3. In tegenstelling tot traditionele CNC-processen zoals frezen, waarbij materiaal laag voor laag uit een plaat of blok materiaal wordt verwijderd, voegt een 3D-printsysteem materiaal laag voor laag toe aan de gewenste structuur.
3D-printen kan worden vergemakkelijkt door middel van een reeks methoden, waaronder laser, flitser, extrusie, of jetting technologieën4. De gebruikte specifieke technologie bepaalt de vorm van de grondstof (d.w.z. poeder of smelt), evenals de rheologische en thermische eigenschappen die nodig zijn voor de verwerkingvan 5. De op extrusie gebaseerde 3D-printmarkt wordt gedomineerd door filamentgebaseerde systemen, wat te wijten is aan filamenten die gemakkelijk te hanteren, te verwerken zijn en continu grote hoeveelheden materiaal aan de extrusiekop te leveren. Dit proces wordt echter beperkt door het type materiaal dat kan worden gevormd tot filamenten (voornamelijk thermoplasten). De meeste materialen bestaan niet in filamentvorm, en het gebrek aan moderne goedkope platforms in de markt vormt een opmerkelijke kloof.
Dit protocol toont de constructie van een uitreservoirgebaseerd extrusiesysteem waarmee materialen in een spuit kunnen worden opgeslagen en geëxtrudeerd door een naald. Dit systeem is bij uitstek geschikt voor de productie van een breed scala aan materialen, waaronder voedingsmiddelen6,polymeren7, en biomaterialen8,9. Bovendien zijn extrusietechnieken op basis van reservoirs doorgaans minder gevaarlijk, goedkoper en gemakkelijker te bedienen dan andere 3D-printmethoden.
Er is een groeiend aantal door de universiteit geleide teams die open-source 3D-printsystemen ontwerpen en vrijgeven aan het publiek. Beginnend met de Fab@Home op extrusie gebaseerde printer in 200710,11, streefden de onderzoekers ernaar om een eenvoudig en goedkoop platform te creëren om snelle uitbreiding in 3D druktechnologie en toepassingen te drijven. Later in 2011, de RepRap project gericht op een filament-based 3D-printplatform ontworpen met onderdelen gemaakt door 3D-printen te creëren, met als doel om een zelfreplicerende machine te creëren12. De kosten van 3D-printers is gedaald door de jaren heen, van $ 2300 USD voor een Fab@Home (2006), $ 573 USD voor een RepRap v1 (2005), en $ 400 USD voor v2 (2011).
In vorig werk hebben we aangetoond hoe een off-the-self 3D-printsysteem kan worden gecombineerd met een op een aangepast uitreservoir gebaseerd extrusiesysteem om complexe 3D-objecten uit chocolade te maken13. Verder ontwerponderzoek heeft aangetoond dat aanzienlijke kostenbesparingen kunnen worden gerealiseerd in vergelijking met dit prototypeontwerp.
Het doel van dit protocol is om instructies te geven voor de bouw van een low-cost reservoir-gebaseerde smelt extrusie 3D-printer. Hier gepresenteerd zijn gedetailleerde diagrammen, tekeningen, bestanden en componentlijsten om de bouw en werking van een 3D-printer met succes mogelijk te maken. Alle componenten worden gehost op het open-source (creative commons noncommercial) platform https://www.thingiverse.com/Addme/collections, waarmee gebruikers naar wens extra functies kunnen wijzigen of toevoegen. Viskeuze crème, chocolade en Pluronic F-127 (een model voor bioinks) worden gebruikt om de prestaties van ADDME te evalueren en de toepassing van de ADDME 3D-printer aan te tonen op de biomedische en voedselprintindustrie.
Voor dit protocol is een lasersnijder nodig die acryl kan snijden en een desktop 3D-printer die PLA- of ABS-filamenten kan afdrukken. Een bewerkte verwarmingsjas en verwarmingspatroon of siliconenkachel kan worden gebruikt om het materiaal te verwarmen, afhankelijk van tot welke apparatuur de bediener toegang heeft. Alle CAD-bestanden zijn te vinden op https://www.thingiverse.com/Addme/designs. Voor firmware en software om de 3D-printer te bedienen, http://marlinfw.org/meta/download/ en https://www.repetier.com/ worden verstrekt middelen, respectievelijk. Zie https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4voor gedetailleerde instructies over het bedieningsbord.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit protocol bevat gedetailleerde instructies voor het bouwen van een goedkope smeltextrusie-gebaseerde 3D-printer. De constructie van de 3D-printer kan worden opgesplitst in ondersecties, waaronder frame, y-as/bed, x-as, extruder, elektronica en software. Deze onderafdelingen worden gepresenteerd met gedetailleerde diagrammen, tekeningen, bestanden en onderdelenlijsten. De totale prijs van een ADDME 3D-printer komt op $ 343 AUD ($ 245 USD vanaf 01/17/2019), waardoor dit de goedkoopste, reservoir-gebaseerde smeltextrusie…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek heeft geen specifieke subsidies ontvangen van financieringsinstellingen in de sectoren openbare, commerciële of niet-winstoogmerk. Speciale dank aan Florian Schmittner, Sandro Gorka, Gurinder Singh, Vincent Tran en Dominik Vu voor hun bijdrage aan een eerder prototype van het ontwerp.
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
- 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).
