Дизайн с открытым исходным кодом, низкозатратный биоцинк и пищевых плавки Экструзион 3D принтер
Summary
Цельэтой работы заключается в проектировании и строительстве трехмерного трехмерного принтера с открытым исходным кодом и недорогих компонентов для применения в биомедицинских и пищевой промышленности.
Abstract
Трехмерная (3D) печать становится все более популярной технологией производства, которая позволяет изготавливать очень сложные объекты без затрат на переоснащение. Эта растущая популярность отчасти обусловлена падением барьеров для входа, таких как затраты на настройку системы и простота работы. В следующем протоколе представлена конструкция и конструкция 3D-принтера additive Manufacturing Melt Extrusion (ADDME) для изготовления пользовательских деталей и компонентов. ADDME был разработан с сочетанием 3D-печати, лазерной огранки и онлайн-компонентов. Протокол расположен в простых в последующей разделы, с подробными диаграммами и списки частей под заголовками обрамления, y-оси и кровать, x-оси, экструзии, электроники и программного обеспечения. Производительность ADDME оценивается с помощью экструзионного тестирования и 3D-печати сложных объектов с использованием вязких сливок, шоколада и Pluronic F-127 (модель для биоинков). Полученные результаты свидетельствуют о том, что ADDME является дееспособной платформой для изготовления материалов и конструкций для использования в широком диапазоне отраслей промышленности. Сочетание подробных диаграмм и видеоконтента облегчает доступ к недорогому и простому в эксплуатации оборудованию для лиц, заинтересованных в 3D-печати сложных объектов из широкого спектра материалов.
Introduction
Аддитивное производство является мощной технологией производства, которая имеет потенциал, чтобы обеспечить значительную ценность для промышленного ландшафта1,2. Привлекательные особенности аддитивного производства не связаны с затратами на инструментирование, высоким уровнем настройки, сложной геометрией и снижением барьеров для входной стоимости. Нет переоснащения расходы позволяют быстрое производство прототипов, что желательно при попытке уменьшить “время на рынок”, что является критической целью отраслей в развитых странах пытаются оставаться конкурентоспособными против низкооплачиваемых конкурентов1. Высокий уровень настраиваемости позволяет изготавливать широкий спектр продуктов со сложной геометрией. Когда эти факторы сочетаются с низкими затратами на настройку, материалы и специализацию оператора, существует четкая ценность технологий аддитивного производства3.
Аддитивное производство, также называемое 3D-печатью, включает в себя изготовление объекта по слоям в компьютерной системе количественного управления (CNC)3. В отличие от традиционных процессов CNC, таких как фрезерование, в котором материал удаляется из листа или блока материала, система 3D-печати добавляет материал в нужную структуру слой за слоем.
3D-печать может быть облегчена с помощью целого ряда методов, включая лазерную, вспышку, экструзию или технологии струи4. Специфическая используемая технология определяет форму сырья (т.е. порошка или расплава), а также реологические и тепловые свойства, необходимые для обработки5. На рынке экструзионной 3D-печати доминируют системы на основе нити, что объясняется тем, что нити просты в обращении, обработке и постоянном снабжении большими объемами материала в экструзионную головку. Однако этот процесс ограничен типом материала, способного образоваться в нити (в основном термопластики). Большинство материалов не существует в форме нити, и отсутствие современных недорогих платформ на рынке представляет собой заметный разрыв.
Этот протокол показывает конструкцию системы экструзии на основе резервуара, которая позволяет хранить материалы в шприце и экструдироваться через иглу. Эта система идеально подходит для производства широкого спектра материалов, включая продуктыпитания 6,полимеры7и биоматериалы8,9. Кроме того, методы экструзии на основе резервуаров, как правило, менее опасны, более дешевы и легче в эксплуатации, чем другие методы 3D-печати.
Растет число групп, возглавляемых университетами, разрабатывающих и выпускающих для общественности системы 3D-печати с открытым исходным кодом. Начиная с Fab@Home экструзионного принтера в 2007 году10,11, исследователи стремились создать простую и дешевую платформу для привода быстрого расширения в технологии 3D-печати и приложений. Позже, в 2011 году, проект RepRap был направлен на создание платформы 3D-печати на основе нити, разработанной с частями, изготовленными с помощью 3D-печати, с целью создания самовоспроизводясь машины12. Стоимость 3D принтеров снижается на протяжении многих лет, с $ 2300 долларов США за Fab@Home (2006), $ 573 USD за RepRap v1 (2005), и $ 400 USD за v2 (2011).
В предыдущей работе мы продемонстрировали, как вне самостоятельной 3D-печати система может быть объединена с пользовательским резервуар на основе экструзионной системы для создания сложных 3D-объектов из шоколада13. Дальнейшее исследование дизайна показало, что значительная экономия средств может быть достигнута по сравнению с этим прототипом дизайна.
Целью данного протокола является предоставление инструкций по строительству недорогого резервуарного трехмерного экструзионного 3D-принтера. Здесь представлены подробные диаграммы, чертежи, файлы и списки компонентов, позволяющие успешно строить и работать с 3D-принтером. Все компоненты размещаются на платформе с открытым исходным кодом (creative Commons noncommercial) https://www.thingiverse.com/Addme/collections,что позволяет пользователям изменять или добавлять дополнительные функции по желанию. Визускрем, шоколад и Pluronic F-127 (модель для биоинков) используются для оценки производительности ADDME и демонстрации применения 3D-принтера ADDME для биомедицинской и пищевой промышленности.
Для этого протокола требуется лазерный резак, способный резать акрил, и настольный 3D-принтер, способный печатать нити PLA или ABS. Для обогрева материала можно использовать машинную отопительную куртку и картридж для нагревателей или силиконовый нагреватель в зависимости от оборудования, к которому имеет доступ оператор. Все файлы CAD можно найти в https://www.thingiverse.com/Addme/designs. Для прошивки и программного обеспечения для управления 3D принтером, http://marlinfw.org/meta/download/ и https://www.repetier.com/ предоставляются ресурсы, соответственно. Подробную информацию о контрольной доске можноузнать https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4.
Protocol
Representative Results
Discussion
Этот протокол содержит подробные инструкции по созданию недорогого 3D-принтера на основе экструзионного плавления. Конструкция 3D-принтера может быть разбита на подразделы, включая раму, y-оси/кровать, x-оси, экструдер, электронику и программное обеспечение. Эти подразделы представлены с…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование не получило каких-либо конкретных грантов от финансовых учреждений в государственном, коммерческом или некоммерческом секторах. Особая благодарность Флориан Шмиттнер, Сандро Горка, Гуриндер Сингх, Винсент Тран, и Доминик Ву за их вклад в более ранний прототип дизайна.
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).
