오픈 소스, 저비용 바이오 잉크 및 식품 용융 압출 3D 프린터 설계
Summary
이 작업의 목적은 생물 의학 및 식품 인쇄 산업의 응용 프로그램에 대한 오픈 소스 및 저가 구성 요소로 만든 저수지 기반 용융 압출 3 차원 프린터를 설계하고 구성하는 것입니다.
Abstract
3차원(3D) 프린팅은 매우 복잡한 물체를 개조 비용 없이 제작할 수 있는 점점 더 인기 있는 제조 기술입니다. 이러한 인기증가는 부분적으로 시스템 설정 비용 및 작동 용이성과 같은 진입 장벽이 떨어짐에 의해 주도됩니다. 다음 프로토콜은 맞춤형 부품 및 부품 제작을 위한 적재제조 용융 압출(ADDME) 3D 프린터의 설계 및 시공을 제공합니다. ADDME는 3D 프린팅, 레이저 컷 및 온라인 소스 구성 요소의 조합으로 설계되었습니다. 이 프로토콜은 프레임, y축 및 침대, x축, 압출, 전자 및 소프트웨어의 제목 아래에 상세한 다이어그램 및 부품 목록과 함께 따라하기 쉬운 섹션으로 정렬됩니다. ADDME의 성능은 점성 크림, 초콜릿 및 Pluronic F-127 (바이오 잉크 모델)을 사용하여 복잡한 물체의 압출 테스트 및 3D 프린팅을 통해 평가됩니다. 결과는 ADDME가 광범위한 산업에서 사용하기 위한 재료 및 구성의 제조를 위한 유능한 플랫폼임을 나타냅니다. 상세한 다이어그램과 비디오 콘텐츠의 조합은 다양한 재료의 복잡한 물체의 3D 프린팅에 관심이 있는 개인을 위해 저비용, 작동이 간편한 장비에 쉽게 접근할 수 있도록 합니다.
Introduction
적화제조는 산업환경에 상당한 가치를 제공할 수 있는 강력한제조기술1,2. 적층 제조의 매력적인 특징에는 툴링 비용, 높은 수준의 사용자 지정, 복잡한 형상 및 진입 비용 에 대한 장벽 감소가 포함되지 않습니다. 시제품 의 신속한 제조를 위한 비용 조정 비용은 없으며, 이는 저임금 경쟁업체와의 경쟁력을 유지하려는 선진국 산업의 중요한 목표인 “시장 출시 시간”을 줄이려고 할 때 바람직합니다1. 높은 수준의 사용자 정의 기능을 통해 다양한 제품을 복잡한 형상으로 제작할 수 있습니다. 이러한 요인이 셋업, 재료 및 작업자 전문화에 대한 낮은 비용과 결합될 때, 첨가제 제조 기술의 명확한 가치가 있다3.
3D 프린팅이라고도 하는 적층 제조에는 컴퓨터 수치 제어(CNC) 시스템3에서개체의 레이어별 제작이 포함됩니다. 시트 나 재료 블록에서 재료를 제거하는 밀링과 같은 기존의 CNC 프로세스와 달리 3D 프린팅 시스템은 원하는 구조에 재료를 레이어별로 추가합니다.
3D 프린팅은 레이저, 플래시, 압출 또는 제팅 기술을 포함한 다양한 방법을 통해 촉진될 수있다 4. 채택된 특정 기술은 원료(즉, 분말 또는 용융)의 형태뿐만 아니라 처리에 필요한 유변학적 및 열적특성을 결정한다 5. 압출 기반 3D 프린팅 시장은 필라멘트 기반 시스템에 의해 지배되고 있으며, 필라멘트는 압출 헤드에 대량의 재료를 취급, 처리 및 지속적으로 공급하기 쉽기 때문입니다. 그러나, 이러한 과정은 필라멘트(주로 열가소성 수지)로 형성될 수 있는 물질의 종류에 의해 제한된다. 대부분의 재료는 필라멘트 형태로 존재하지 않으며, 시장에서 현대 저가 플랫폼의 부족은 주목할만한 격차를 나타냅니다.
이 프로토콜은 물질을 주사기에 저장하고 바늘을 통해 압출 할 수있는 저수지 기반 압출 시스템의 구성을 보여줍니다. 이 시스템은 식품6,폴리머7및 생체 재료8,9를포함한 광범위한 재료를 제조하는 데 이상적입니다. 또한, 저수지 기반 압출 기술은 일반적으로 다른 3D 프린팅 방법보다 덜 위험하고, 비용이 저렴하며, 작동이 용이합니다.
오픈 소스 3D 프린팅 시스템을 설계하고 공개하는 대학 주도 팀이 늘어나고 있습니다. 2007년 Fab@Home 압출 기반 프린터를 시작으로10, 11,연구원은 3D 프린팅 기술 및 응용 분야에서 급속한 확장을 추진하기 위한 간단하고 저렴한 플랫폼을 만드는 것을 목표로 했습니다. 2011년 말, RepRap 프로젝트는 3D 프린팅으로 제작된 부품으로 설계된 필라멘트 기반 3D 프린팅 플랫폼을 만드는 것을 목표로 삼았으며, 이를 목표로 는 자체 복제 기계12를만드는 것을 목표로 했습니다. 3D 프린터의 비용은 수년에 걸쳐 떨어지고있다, 에서 $2300 Fab@Home USD (2006), $573 RepRap v1에 대한 USD (2005), 그리고 $400 v2에 대한 USD (2011).
이전 작업에서는 자체 3D 프린팅 시스템을 사용자 지정 저장소 기반 압출 시스템과 결합하여 초콜릿13에서복잡한 3D 개체를 만드는 방법을 시연했습니다. 추가 설계 조사에 따르면 이 프로토타입 설계에 비해 상당한 비용 절감 효과를 얻을 수 있습니다.
이 프로토콜의 목적은 저비용 저수지 기반 용융 압출 3D 프린터의 구성에 대한 지침을 제공하는 것입니다. 여기에 제시된 자세한 다이어그램, 도면, 파일 및 구성 요소 목록은 3D 프린터를 성공적으로 구성하고 작동할 수 있도록 합니다. 모든 구성 요소는 https://www.thingiverse.com/Addme/collections 오픈 소스 (크리에이티브 커먼즈 비상업적) 플랫폼에서호스팅되며 사용자가 원하는대로 기능을 변경하거나 추가 할 수 있습니다. 점성 크림, 초콜릿, 그리고 Pluronic F-127 (bioinks용 모델) ADDME의 성능을 평가하고 생물 의학 및 식품 인쇄 산업에 ADDME 3D 프린터의 응용 프로그램을 시연하는 데 사용됩니다.
이 프로토콜에는 아크릴을 절단할 수 있는 레이저 커터와 PLA 또는 ABS 필라멘트를 인쇄할 수 있는 데스크탑 3D 프린터가 필요합니다. 가공된 난방 재킷과 히터 카트리지 또는 실리콘 히터를 사용하여 작업자가 접근할 수 있는 장비에 따라 재료를 가열할 수 있습니다. 모든 CAD 파일은 https://www.thingiverse.com/Addme/designs. 3D 프린터를 제어하는 펌웨어 및 소프트웨어의 경우 http://marlinfw.org/meta/download/ 및 https://www.repetier.com/ 각각 리소스가 제공됩니다. 제어 보드에 대한 자세한 지침은 https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 프로토콜은 저비용 용융 압출 기반 3D 프린터를 구성하기 위한 자세한 지침을 제공합니다. 3D 프린터의 구성은 프레임, y축/침대, x축, 압출기, 전자 제품 및 소프트웨어를 포함한 하위 섹션으로 나눌 수 있습니다. 이러한 하위 섹션은 자세한 다이어그램, 도면, 파일 및 부품 목록과 함께 제공됩니다. ADDME 3D 프린터의 총 가격은 $343 AUD (2019년 01월 17일 기준 미화 245달러)로, 현재 알려진 가장 저렴한 …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 공공, 상업 또는 비영리 부문의 자금 조달 기관으로부터 특정 보조금을 받지 못했습니다. 플로리안 슈미트너, 산드로 고르카, 구린더 싱, 빈센트 트란, 도미닉 부에게 특별한 감사를 전하며, 디자인의 초기 프로토타입에 기여한 공로를 인정받아 주었습니다.
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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