Design de uma impressora 3D de origem aberta, bioink de baixo custo e derretimento de alimentos
Summary
O objetivo deste trabalho é projetar e construir uma impressora tridimensional de derretimento baseada em reservatórios feita de componentes de código aberto e de baixo custo para aplicações nas indústrias de impressão biomédica e de alimentos.
Abstract
A impressão tridimensional (3D) é uma técnica de fabricação cada vez mais popular que permite que objetos altamente complexos sejam fabricados sem custos de referramentamento. Essa crescente popularidade é parcialmente impulsionada pela queda das barreiras à entrada, como custos de configuração do sistema e facilidade de operação. O protocolo a seguir apresenta o projeto e a construção de uma impressora 3D de derretida de fabricação aditiva (ADDME) para a fabricação de peças e componentes personalizados. AddME foi projetado com uma combinação de componentes impressos em 3D, cortados a laser e de origem on-line. O protocolo é organizado em seções fáceis de seguir, com diagramas detalhados e listas de peças os títulos de enquadramento, eixo y e cama, eixo x, extrusão, eletrônica e software. O desempenho do ADDME é avaliado por meio de testes de extrusão e impressão 3D de objetos complexos utilizando creme viscoso, chocolate e F-127 Plurônico (modelo para bioinks). Os resultados indicam que a ADDME é uma plataforma capaz de fabricação de materiais e construções para uso em uma ampla gama de indústrias. A combinação de diagramas detalhados e conteúdo de vídeo facilita o acesso a equipamentos de baixo custo e fáceis de operar para indivíduos interessados na impressão 3D de objetos complexos de uma ampla gama de materiais.
Introduction
A fabricação aditiva é uma poderosa tecnologia de fabricação que tem potencial para fornecer valor significativo à paisagem industrial1,2. As características atraentes da fabricação aditiva não envolvem custos de ferramentas, altos níveis de personalização, geometrias complexas e barreiras reduzidas aos custos de entrada. Nenhum custo de referramentamento permite a rápida fabricação de protótipos, o que é desejável ao tentar diminuir o “tempo de mercado”, que é um objetivo crítico das indústrias em nações desenvolvidas que tentam permanecer competitivas contra concorrentes de baixos salários1. Altos níveis de personalizabilidade permitem que uma grande variedade de produtos sejam fabricados com geometrias complexas. Quando esses fatores são combinados com os baixos custos para configuração, materiais e especialização do operador, há um valor claro das tecnologias de fabricação aditiva3.
A fabricação aditiva, também chamada de impressão 3D, envolve fabricação camada por camada de um objeto em umsistema3 controlado por computador (CNC). Ao contrário dos processos tradicionais da CNC, como a fresagem, em que o material é removido de uma folha ou bloco de material, um sistema de impressão 3D adiciona material à estrutura desejada camada por camada.
A impressão 3D pode ser facilitada através de uma gama de métodos, incluindo laser, flash, extrusão ou tecnologias de lançamento4. A tecnologia específica empregada determina a forma da matéria-prima (ou seja, pó ou derretimento), bem como as propriedades reológicas e térmicas necessárias para o processamento5. O mercado de impressão 3D baseado em extrusão é dominado por sistemas baseados em filamentos, o que se deve aos filamentos serem fáceis de manusear, processar e fornecer continuamente grandes volumes de material à cabeça de extrusão. No entanto, esse processo é limitado pelo tipo de material capaz de ser formado em filamentos (principalmente termoplásticos). A maioria dos materiais não existe em forma de filamento, e a falta de plataformas modernas de baixo custo no mercado representa uma lacuna notável.
Este protocolo mostra a construção de um sistema de extrusão à base de reservatórios que permite que materiais sejam armazenados em uma seringa e extrudados através de uma agulha. Este sistema é idealmente adequado para a fabricação de uma ampla gama de materiais, incluindo alimentos6,polímeros7e biomateriais8,9. Além disso, as técnicas de extrusão baseadas em reservatórios são tipicamente menos perigosas, menores em custo e mais fáceis de operar do que outros métodos de impressão 3D.
Há um número crescente de equipes lideradas pela universidade projetando e lançando sistemas de impressão 3D de código aberto ao público. Começando com a impressora Fab@Home baseada em extrusão em 200710,11,os pesquisadores tinham como objetivo criar uma plataforma simples e barata para impulsionar a rápida expansão em tecnologia e aplicativos de impressão 3D. Mais tarde, em 2011, o projeto RepRap teve como objetivo criar uma plataforma de impressão 3D baseada em filamentos projetada com peças feitas por impressão 3D, com o objetivo de criar uma máquina auto-replicante12. O custo das impressoras 3D vem caindo ao longo dos anos, de US$ 2.300 para um Fab@Home (2006), US$ 573 para um RepRap v1 (2005) e US$ 400 usD para v2 (2011).
Em trabalhos anteriores, demonstramos como um sistema de impressão 3D fora do eu poderia ser combinado com um sistema de extrusão personalizado à base de reservatórios para criar objetos 3D complexos do chocolate13. Uma investigação de projeto mais aprofundada mostrou que uma economia considerável de custos pode ser alcançada em comparação com este design protótipo.
O objetivo deste protocolo é fornecer instruções para a construção de uma impressora 3D de derretida baseada em reservatórios de baixo custo. Apresentados aqui estão diagramas detalhados, desenhos, arquivos e listas de componentes para permitir a construção e operação com sucesso de uma impressora 3D. Todos os componentes estão hospedados na plataforma de código aberto (creative commons noncommercial) https://www.thingiverse.com/Addme/collections, que permite aos usuários alterar ou adicionar recursos adicionais conforme desejado. Creme viscoso, chocolate e F-127 Pluronic (modelo para bioinks) são usados para avaliar o desempenho da ADDME e demonstrar a aplicação da impressora ADDME 3D para as indústrias biomédica e de impressão de alimentos.
Um cortador a laser capaz de cortar acrílico e uma impressora 3D de desktop capaz de imprimir filamentos PLA ou ABS são necessários para este protocolo. Uma jaqueta de aquecimento usinada e cartucho de aquecedor ou aquecedor de silicone podem ser usados para aquecer o material, dependendo de qual equipamento o operador tem acesso. Todos os arquivos CAD podem ser encontrados em https://www.thingiverse.com/Addme/designs. Para firmware e software para controlar a impressora 3D, http://marlinfw.org/meta/download/ e https://www.repetier.com/ são fornecidos recursos, respectivamente. Para obter instruções detalhadas sobre o conselho de controle, consulte https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este protocolo fornece instruções detalhadas para a construção de uma impressora 3D baseada em extrusão de baixo custo. A construção da impressora 3D pode ser dividida em subseções, incluindo quadro, eixo y/cama, eixo x, extrusor, eletrônicos e software. Essas subseções são apresentadas com diagramas detalhados, desenhos, arquivos e listas de peças. O preço total de uma impressora ADDME 3D chega a US$ 343 AUD (US$ 245 a partir de 17/01/2019), tornando esta a impressora 3D de derretimento mais barata, basea…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta pesquisa não recebeu nenhuma subvenção específica de agências de financiamento nos setores público, comercial ou sem fins lucrativos. Agradecimentos especiais a Florian Schmittner, Sandro Gorka, Gurinder Singh, Vincent Tran e Dominik Vu por sua contribuição em um protótipo anterior do projeto.
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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