本研究的目的是设计并构建一种基于储料装置的熔融挤出式三维打印机,该打印机采用开源且低成本的组件,适用于生物医学和食品打印行业。
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本研究的目的是设计并构建一种基于储料装置的熔融挤出式三维打印机,该打印机采用开源且低成本的组件,适用于生物医学和食品打印行业。
三维(3D)打印是一种日益流行的制造技术,能够无需重新配置设备成本即可制造出高度复杂的物体。这种技术的普及在一定程度上得益于进入门槛的降低,例如系统搭建成本的下降和操作的简便性。以下方案介绍了用于制造定制零件和组件的增材制造熔融挤出(ADDME)3D打印机的设计与构建过程。ADDME采用3D打印、激光切割以及在线采购的部件组合而成。该方案分为易于遵循的多个部分,包含详细的示意图和零件清单,涵盖机架结构、Y轴与打印床、X轴、挤出系统、电子元件和软件等章节。通过使用高粘度奶油、巧克力以及Pluronic F-127(一种生物墨水模型)进行挤出测试和复杂物体的3D打印,对ADDME的性能进行了评估。结果表明,ADDME是一个可用于多种行业材料与结构制造的可靠平台。详细的示意图与视频内容相结合,有助于希望从多种材料中实现复杂物体3D打印的用户获得低成本、易于操作的设备。
增材制造是一种强大的制造技术,有望为工业领域带来显著价值1,2。增材制造的突出优势包括无需模具成本、高度定制化、可实现复杂几何结构,以及降低进入门槛的成本。无需重新配置工具即可快速制造原型,这在力求缩短"上市时间"时具有重要意义,而缩短上市时间正是发达国家产业在面对低工资竞争者时保持竞争力的关键目标之一1。高度的可定制性使得多种多样的产品能够以复杂几何形状被制造出来。当这些因素与较低的启动成本、材料成本以及操作人员专业化要求相结合时,增材制造技术的价值便尤为明显3。
增材制造,也称为3D打印,是指在计算机数字控制(CNC)系统中通过逐层构建的方式制造物体3。与铣削等传统的CNC加工方法不同,传统方法通过从材料板或块体上去除材料来成型,而3D打印系统则是将材料逐层添加,形成所需的结构。
3D 打印可通过多种方法实现,包括激光、闪光、挤出或喷射技术4。所采用的具体技术决定了原材料的形态(即粉末或熔体),以及加工过程中所需的流变和热性能5。基于挤出的 3D 打印市场主要由基于丝材的系统主导,这是因为丝材易于操作、加工,并能持续向挤出头供应大量材料。然而,该工艺受限于能够制成丝材的材料类型(主要是热塑性塑料)。大多数材料并不存在丝材形式,且市场上缺乏现代化的低成本平台,这构成了显著的技术空白。
本方案展示了基于储液器的挤出系统的构建方法,该系统可将材料储存在注射器中,并通过针头进行挤出。该系统非常适合制造多种材料,包括食品6、聚合物7以及生物材料8,9。此外,基于储液器的挤出技术通常比其他3D打印方法更安全、成本更低且操作更简便。
越来越多的大学研究团队正在设计并向公众发布开源的 3D 打印系统。自 2007 年基于挤出成型的 Fab@Home 打印机问世以来10,11,研究人员致力于构建一种简单且低成本的平台,以推动 3D 打印技术及其应用的快速发展。随后在 2011 年,RepRap 项目旨在开发一种基于丝材的 3D 打印平台,其组件本身由 3D 打印制造,目标是实现机器的自我复制12。多年来,3D 打印机的成本持续下降,从 2006 年 Fab@Home 的 2300 美元、2005 年 RepRap v1 的 573 美元,降至 2011 年 v2 版本的 400 美元。
在之前的研究中,我们展示了如何将现成的3D打印系统与定制的基于储液器的挤出系统相结合,以巧克力为材料制造复杂的3D物体13。进一步的设计研究表明,与该原型设计相比,可实现显著的成本节约。
本实验方案旨在提供一种低成本、基于储液装置的熔融挤出式3D打印机的构建指导。本文提供了详细的示意图、设计图、文件和组件清单,以确保3D打印机的成功组装与运行。所有组件均托管于开源(知识共享非商业性)平台 https://www.thingiverse.com/Addme/collections,用户可根据需要修改或添加额外功能。通过使用高黏度乳膏、巧克力以及Pluronic F-127(一种生物墨水模型材料)对ADDME进行性能评估,展示了ADDME 3D打印机在生物医学和食品打印领域的应用潜力。
本方案需要配备能够切割亚克力材料的激光切割机,以及能够打印PLA或ABS丝材的桌面级3D打印机。可根据操作者所拥有的设备,选择使用机械加工的加热套和加热棒,或硅胶加热器对材料进行加热。所有CAD文件均可在https://www.thingiverse.com/Addme/designs获取。用于控制3D打印机的固件和软件资源分别为http://marlinfw.org/meta/download/和https://www.repetier.com/。有关控制板的详细说明,请参见https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4。
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警告:热烙铁和加热 cartridge 存在造成烫伤的风险。当加热 cartridge 未固定在加热套内时,切勿通电。此外,3D 打印机移动轴可能造成夹伤或割伤。
1. 概述与准备
注意:图1A 展示了打印机的计算机生成渲染图,图1B 为完成后的打印机照片。

图1:增材制造熔融挤出(ADDME)3D打印机。(A)打印机的计算机生成渲染图。(B)组装完成的打印机实物照片。请点击此处查看此图的放大版本。
2. 框架组装
注意:完成框架组装需要使用图2所示的部件。熔融挤出式3D打印机的框架由6 mm激光切割亚克力板和M3螺栓与螺母组合固定(图3)。打印机底部 дополнительно 使用M10螺纹杆和螺母组合进行加固。

图 2:组装框架所需的组件。 请点击此处查看此图的放大版本。

图3:框架组装。(A)已组装的框架。(B)带标注的亚克力部件和支撑用M10螺纹杆的爆炸视图。(C)使用M3螺钉和螺母将各亚克力部件相互连接以固定框架的爆炸视图。(D)通过M10螺母和垫圈将螺纹杆与亚克力部件6、8和9连接在一起的爆炸视图。请点击此处查看此图的放大版本。
3. Y轴和打印床子组件
注意:图4 中所示部件是完成Y轴和打印平台子组件所必需的。所有螺丝均如 图4 所示,工具列在材料表中。

图4:组装y轴和打印床子组件所需的部件。 请点击此处查看该图的放大版本。

图5:增材制造熔融挤出(ADDME)3D打印机。(A)框架、Y轴和打印床的图形渲染图。(B)Y轴和打印床的图形渲染图。(C)打印床子组件的爆炸视图。(D)标注视图,显示Y轴如何连接到后板。(E)机械限位开关的放大视图。(F)打印平台弹簧调平系统的爆炸视图。(G)标注视图,显示Y轴如何连接到前面板。(H)Y轴和打印床的侧视图图形渲染图。请点击此处查看此图的放大版本。
4. X轴子组件
注意:图6 中所示部件为完成X轴子组件所必需。所有螺丝均在 图6 中显示,工具列于材料表中。

图6:组装X轴子组件所需的部件。 请点击此处查看此图的放大版本。

图7:X轴子组件装配图。(a)框架与X轴的图形化渲染图。(b)X轴的图形化渲染图。(c)子组件左侧的爆炸视图。(d)子组件右侧的爆炸视图。(e)标注视图,显示X轴如何连接至顶部面板。(f)标注视图,显示X轴如何连接至电子元件外壳。请点击此处查看此图的放大版本。
5. 挤出子组件
注意:挤出子组件采用双步进电机设计,以通过平衡柱塞两侧的受力来确保实现高精度。完成挤出子组件需要 图8 中列出的零件。

图8:组装挤出装置所需的组件。请点击此处查看该图的放大版本。

图9:挤出机组件。(A)挤出机组件的图形渲染图。(B)显示挤出机各部件的爆炸视图。请点击此处查看此图的放大版本。
6. 电子元件与线路连接

图10:电子元件。(A)电子控制板安装位置的图形渲染图。(B)电气元件和电机与3D打印控制板的连接示意图[Arduino和Ramps的CAD文件由Jos Hummelink(grabcab.com)提供]。(C)完成布线后的实物图。可见导线从Ramps控制板引出,分别连接至挤出头以及X/Y轴电机。请点击此处查看该图的放大版本。
7. 软件、控制与校准
注意:如需更详细的说明和故障排除信息,请参见 https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4。
8. 3D打印的准备工作

图11:3D打印制备过程。(A)一支2 mL注射器中装入了以下物质(从左到右):粘稠乳霜(150 mL,Nivea护手霜)、巧克力(Cadbury,原味牛奶巧克力)和Pluronic F-127(Sigma Aldrich)。(B)活塞正被插入活塞锁1(3DP 11)中。(C)图示为将注射器插入加热套的过程,同时螺纹螺钉与黄铜螺母啮合。(D)图示为将内六角扳手即将插入固定用M3内六角螺钉中,以便调节水平高度。(E)随后将一张名片滑入注射器下方,以检查平台与注射器之间的距离。请点击此处查看该图的放大版本。
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使用一种粘稠乳霜(150 mL,妮维雅护手霜)、巧克力(吉百利,原味牛奶巧克力)和泊洛沙姆F-127(Sigma Aldrich)评估ADDME在3D打印过程中的性能。粘稠乳霜和巧克力直接使用,泊洛沙姆则溶于超纯水中配制成20%(重量比)的溶液,并于5 °C冷藏保存,待用时取出14,15。
线测试通过在构建平台上来回挤出丝材形成基本图案,以评估单根丝材的特性,如厚度或均匀性。线测试采用一系列称为gcode的运动指令完成,如下方公式1所示。所需挤出的材料量可通过公式2计算得出。所用打印参数见表1,结果如图12A,B,C所示。
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本方案提供了构建低成本基于熔融挤出的3D打印机的详细说明。3D打印机的构建可分为若干子部分,包括机架、Y轴/打印平台、X轴、挤出机、电子元件和软件。这些子部分均配有详细的示意图、图纸、文件和零件清单。一台ADDME 3D打印机的总成本为343澳元(截至2019年1月17日约合245美元),使其成为目前已知最便宜的基于储料装置的熔融挤出式3D打印机。本设备的设计目标是通过使用激光切割件、3D打印件以及市售标准组件,实现简便制造。该设备的功能已通过线材测试及有机形状物体的3D打印得到验证。通过使用高粘度奶油、巧克力和Pluronic F-127(作为生物墨水模型),已证明ADDME在生物医学和食品工业等多种应用中的适用性。
用于构建ADDME的3D打印部件可能因各打印件之间质量差异而带来复杂性。3D打印部件的翘曲、收缩或膨胀已知会受到打印参数和环境因素的影响。使用聚乳酸(PLA)应能显著减少由收缩、膨胀或翘曲引起的误差;然而,湿度等环境因素仍可能导致问题。为尽量减少潜在问题,应确保:1)打印参数与指定参数一致
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究未从公共、商业或非营利部门的资助机构获得任何特定资助。特别感谢Florian Schmittner、Sandro Gorka、Gurinder Singh、Vincent Tran和Dominik Vu在设计早期原型中的贡献。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 15 瓦 12 伏直流 50x100 毫米柔性硅胶加热器 | Banggood | 1280175 | 可选;4.46 澳元 |
| 3D 打印机 | Lulzbot | https://download.lulzbot.com/ | |
| 3D 打印机 | Ultimaker | Ultimaker 2+ | |
| 交流 100-240 伏转直流 12 伏 5 安 60 瓦电源适配器 | Banggood | 994870 | 12.7 澳元 |
| 白色连续浇铸亚克力板 1200x600 毫米 | Mulford Plastics | 36.95 澳元 | |
| 内六角扳手 | 公制 | ||
| 带 RAMPS 1.4 控制器的 Arduino MEGA2560 R3 | Geekcreit | 984594 | 28.91 澳元 |
| 碳钢直线轴 8 毫米 x 350 毫米 | Banggood | 1119330 | 13.44 澳元 |
| 碳钢直线轴 8 毫米 x 500 毫米 | Banggood | 1276011 | 19.42 澳元 |
| 巧克力 | Cadbury | ||
| 带互联网接入的计算机 | Dell | ||
| 联轴器 5-8 毫米 | Banggood | 1070710 | 6.93 澳元 |
| 护手霜 | Nivea | 80102 | |
| 加热管 | Creality 3D | 1192704 | 4.75 澳元 |
| K 型温度传感器热电偶 | Banggood | 1212169 | 2.37 澳元 |
| 激光切割机 | trotec | Speedy 300 | https://www.troteclaser.com/ |
| M10 1 毫米螺距金属六角螺母 + 垫圈 | UXCELL | 8.84 澳元 | |
| M10 1 毫米螺距镀锌管 400 毫米长 | UXCELL | 11.62 澳元 | |
| M2 - 0.4 毫米内螺纹黄铜嵌件 | Ebay | 5.65 澳元 | |
| M2 螺母 | Suleve | 1239291 | 9.17 澳元 |
| M2 x 10 毫米圆头内六角螺钉 | Suleve | 1239291 | 9.17 澳元 |
| M2 x 5 毫米圆头内六角螺钉 | Suleve | 1239291 | 9.17 澳元 |
| M3 - 0.5 毫米内螺纹黄铜嵌件 | Suleve | 1262071 | 7.5 澳元 |
| M3 螺母 | Suleve | 1109208 | 7.85 澳元 |
| M3 垫圈 | Banggood | 1064061 | 3.05 澳元 |
| M3 x 10 毫米圆头内六角螺钉 | Suleve | 1109208 | 7.85 澳元 |
| M3 x 20 毫米圆头内六角螺钉 | Suleve | 1109208 | 7.85 澳元 |
| M3 x 6 毫米圆头内六角螺钉 | Suleve | 1109208 | 7.85 澳元 |
| M3 x 8 毫米圆头内六角螺钉 | Suleve | 1109208 | 7.85 澳元 |
| M4 x 8 毫米圆头内六角螺钉 | Suleve | 1273210 | 4.32 澳元 |
| 鲁尔锁针头 18 - 27 规 | Terumo | TGA ARTG 编号:130227 | 3.57 澳元 |
| NEMA 17 步进电机 | Casun | 42SHD0001-24B | 54 澳元 |
| NEMA 步进电机安装支架 | Banggood | ptNema17br90 | 4.79 澳元 |
| 带法兰座的 8 毫米枕块轴承 | Banggood | KFL08 | 5.04 澳元 |
| PLA 线材 | Creality 3D | 1290153 | 24.95 澳元 |
| 普流罗尼克 F127 | Sigma Aldrich | P2443-250G | |
| SC8UU 8 毫米直线运动球轴承 | Toolcool | 935967 | 21.6 澳元 |
| SG-5GL 微型限位开关 | Omron | 1225333 | 4.5 澳元 |
| 焊接工作站 | 焊锡、导线、热缩管等 | ||
| 弹簧 | Banggood | 995375 | 2.53 澳元 |
| 3 毫升鲁尔锁聚丙烯注射器 | Brauhn | 9202618N | 3.14 澳元 |
| GT2 20 齿同步带轮及皮带套装 | Banggood | 10811303 | 11.48 澳元 |
| 梯形丝杠及螺母 8 毫米 x 400 毫米 | Banggood | 1095315 | 29.02 澳元 |
| 可调扳手 |
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