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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本文内容
摘要
摘要
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。
引言
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....
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方案
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。
- 从材料表中获取所有部件。
- 所有需激光切割的亚克力部件请参见 https://www.thingiverse.com/Addme/designs。请确保使用 6 mm 厚的亚克力材料，否则框架无法正确组装。激光切割机利用高能激光切割材料，建议在专业加工场所进行操作。
- 所有 3D 打印部件请参见 https://www.thingiverse.com/Addme/designs。必须按照每个部件所指定的打印....
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结果
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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讨论
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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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
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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材料
| 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 |
参考文献
- 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), (....
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