Name: 设计开源、低成本生物墨水和食品熔炼挤出3D打印机 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-03-02T12:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 1 s
Description: 了解如何组装ADDME开源低成本熔融挤出3D打印机。本视频演示使用亚克力部件和M3螺丝构建该生物打印平台的全过程，适用于食品加工和生物医学研究领域。

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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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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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 <a href="https://www.thingiverse.com/A...

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&#34;上市时间&#34;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 <a href="https://www.thingiverse.com/Addme/collections" target="_blank">https://www.thingiverse.com/Addme/collections</a>，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<a href="https://www.thingiverse.com/Addme/designs" target="_blank">https://www.thingiverse.com/Addme/designs</a>获取。用于控制3D打印机的固件和软件资源分别为<a href="http://marlinfw.org/meta/download/" target="_blank">http://marlinfw.org/meta/download/</a>和<a href="https://www.repetier.com/" target="_blank">https://www.repetier.com/</a>。有关控制板的详细说明，请参见<a href="https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4" target="_blank">https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4</a>。

<table><tbody><tr><td>15 瓦 12 伏直流 50x100 毫米柔性硅胶加热器</td><td>Banggood</td><td>1280175</td><td>可选；4.46 澳元</td></tr><tr><td>3D 打印机</td><td>Lulzbot</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;https://download.lulzbot.com/TAZ/6.02/documentation/manual/9780989378482_interior_r6.02.pdf&quot; target=&quot;_blank">https://download.lulzbot.com/&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>3D 打印机</td><td>Ultimaker</td><td>Ultimaker 2+</td><td></td></tr><tr><td>交流 100-240 伏转直流 12 伏 5 安 60 瓦电源适配器</td><td>Banggood</td><td>994870</td><td>12.7 澳元</td></tr><tr><td>白色连续浇铸亚克力板 1200x600 毫米</td><td>Mulford Plastics</td><td></td><td>36.95 澳元</td></tr><tr><td>内六角扳手</td><td>公制</td><td></td><td></td></tr><tr><td>带 RAMPS 1.4 控制器的 Arduino MEGA2560 R3</td><td>Geekcreit</td><td>984594</td><td>28.91 澳元</td></tr><tr><td>碳钢直线轴 8 毫米 x 350 毫米</td><td>Banggood</td><td>1119330</td><td>13.44 澳元</td></tr><tr><td>碳钢直线轴 8 毫米 x 500 毫米</td><td>Banggood</td><td>1276011</td><td>19.42 澳元</td></tr><tr><td>巧克力</td><td>Cadbury</td><td></td><td></td></tr><tr><td>带互联网接入的计算机</td><td>Dell</td><td></td><td></td></tr><tr><td>联轴器 5-8 毫米</td><td>Banggood</td><td>1070710</td><td>6.93 澳元</td></tr><tr><td>护手霜</td><td>Nivea</td><td>80102</td><td></td></tr><tr><td>加热管</td><td>Creality 3D</td><td>1192704</td><td>4.75 澳元</td></tr><tr><td>K 型温度传感器热电偶</td><td>Banggood</td><td>1212169</td><td>2.37 澳元</td></tr><tr><td>激光切割机</td><td>trotec</td><td>Speedy 300</td><td>&lt;a href=&quot;https://www.troteclaser.com/fileadmin/content/images/Contact_Support/Manuals/8047-speedy-400-redesign-manual-EN.pdf&quot; target=&quot;_blank">https://www.troteclaser.com/&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>M10 1 毫米螺距金属六角螺母 + 垫圈</td><td>UXCELL</td><td></td><td>8.84 澳元</td></tr><tr><td>M10 1 毫米螺距镀锌管 400 毫米长</td><td>UXCELL</td><td></td><td>11.62 澳元</td></tr><tr><td>M2 - 0.4 毫米内螺纹黄铜嵌件</td><td>Ebay</td><td></td><td>5.65 澳元</td></tr><tr><td>M2 螺母</td><td>Suleve</td><td>1239291</td><td>9.17 澳元</td></tr><tr><td>M2 x 10 毫米圆头内六角螺钉</td><td>Suleve</td><td>1239291</td><td>9.17 澳元</td></tr><tr><td>M2 x 5 毫米圆头内六角螺钉</td><td>Suleve</td><td>1239291</td><td>9.17 澳元</td></tr><tr><td>M3 - 0.5 毫米内螺纹黄铜嵌件</td><td>Suleve</td><td>1262071</td><td>7.5 澳元</td></tr><tr><td>M3 螺母</td><td>Suleve</td><td>1109208</td><td>7.85 澳元</td></tr><tr><td>M3 垫圈</td><td>Banggood</td><td>1064061</td><td>3.05 澳元</td></tr><tr><td>M3 x 10 毫米圆头内六角螺钉</td><td>Suleve</td><td>1109208</td><td>7.85 澳元</td></tr><tr><td>M3 x 20 毫米圆头内六角螺钉</td><td>Suleve</td><td>1109208</td><td>7.85 澳元</td></tr><tr><td>M3 x 6 毫米圆头内六角螺钉</td><td>Suleve</td><td>1109208</td><td>7.85 澳元</td></tr><tr><td>M3 x 8 毫米圆头内六角螺钉</td><td>Suleve</td><td>1109208</td><td>7.85 澳元</td></tr><tr><td>M4 x 8 毫米圆头内六角螺钉</td><td>Suleve</td><td>1273210</td><td>4.32 澳元</td></tr><tr><td>鲁尔锁针头 18 - 27 规</td><td>Terumo</td><td>TGA ARTG 编号：130227</td><td>3.57 澳元</td></tr><tr><td>NEMA 17 步进电机</td><td>Casun</td><td>42SHD0001-24B</td><td>54 澳元</td></tr><tr><td>NEMA 步进电机安装支架</td><td>Banggood</td><td>ptNema17br90</td><td>4.79 澳元</td></tr><tr><td>带法兰座的 8 毫米枕块轴承</td><td>Banggood</td><td>KFL08</td><td>5.04 澳元</td></tr><tr><td>PLA 线材</td><td>Creality 3D</td><td>1290153</td><td>24.95 澳元</td></tr><tr><td>普流罗尼克 F127</td><td>Sigma Aldrich</td><td>P2443-250G</td><td></td></tr><tr><td>SC8UU 8 毫米直线运动球轴承</td><td>Toolcool</td><td>935967</td><td>21.6 澳元</td></tr><tr><td>SG-5GL 微型限位开关</td><td>Omron</td><td>1225333</td><td>4.5 澳元</td></tr><tr><td>焊接工作站</td><td></td><td></td><td>焊锡、导线、热缩管等</td></tr><tr><td>弹簧</td><td>Banggood</td><td>995375</td><td>2.53 澳元</td></tr><tr><td>3 毫升鲁尔锁聚丙烯注射器</td><td>Brauhn</td><td>9202618N</td><td>3.14 澳元</td></tr><tr><td>GT2 20 齿同步带轮及皮带套装</td><td>Banggood</td><td>10811303</td><td>11.48 澳元</td></tr><tr><td>梯形丝杠及螺母 8 毫米 x 400 毫米</td><td>Banggood</td><td>1095315</td><td>29.02 澳元</td></tr><tr><td>可调扳手</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

开源低成本生物墨水与食品熔融挤出3d打印机的设计

Design of an Open-Source, Low-Cost Bioink and Food Melt Extrusion 3D Printer

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。

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。
<p class="jove_content" fo:keep-together...

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。

开源低成本生物墨水与食品熔融挤出3D打印机的设计

三维（3D）打印是一种日益流行的制造技术，可无需重新配置工具即可制备出结构高度复杂的物体……

在本实验中，我们将演示如何构建 ADDME——一种低成本、开源的熔融挤出与生物墨水 3D 打印机。熔融挤出和生物墨水 3D 打印机通常价格高达数千美元，且多为闭源系统。ADDME 是一种开源、可定制的 3D 打印平台，成本低于 350 美元。ADDME 能够利用多种材料制造复杂的三维结构，适用于食品加工、聚合物复合材料生产和生物打印等领域。本视频将实际演示如何组装和测试 ADDME 的各个部件。将九个亚克力部件依次连接后，请核对图示标签，确保每个部件位置正确，然后使用 M3 螺丝和 M3 内六角扳手将部件固定。然后，将 M10 螺纹杆穿过亚克力部件六、八和十上的专用孔，并使用 M10 垫圈和螺母固定螺纹杆，用可调扳手拧紧螺母。组装 Y 轴和打印平台时，将两个直线轴承座滑入每根 8 毫米轴上，并将限位块滑入其中一根 8 毫米轴的一端。使用 M2 螺丝和内六角扳手固定机械限位开关，并使用 M4 螺丝将全部四个直线轴承座固定到安装底板上。使用 M3 螺丝和内六角扳手将皮带夹固定在安装底板上，并使用 M3 螺丝、螺母和弹簧组件将打印底板固定到安装底板上。接下来，使用 M2 螺丝和内六角扳手将两个轴支架分别固定在后板和前板上，并使用 M3 螺丝将步进电机支架固定在后板上。然后，使用额外的 M3 螺丝将步进电机固定到步进电机支架上，并将皮带张紧轮固定在前板上。将打印床子组件插入机架时，将8毫米轴的每一端与轴支架对齐。组装X轴子组件的左侧时，将一个黄铜螺母放入螺母座内，并使用M3螺丝和内六角扳手将螺母固定到X轴左滑块上。使用M4螺丝和内六角扳手将滑块固定到X轴左滑块上，并使用M3螺丝将X轴惰轮一固定到X轴左滑块上。将惰轮、X轴惰轮一和X轴惰轮二的中心孔对齐，并使用M3螺丝和内六角扳手将这些部件固定在一起。要组装X轴子组件的右侧部分，请将一个黄铜螺母放入螺母固定座内，并使用M3螺丝将螺母固定到X轴右端支撑块上。使用M4螺丝将滑块固定座连接到X轴右端支撑块上，并使用M3螺丝将X轴右端部件固定到X轴右端支撑块上。使用额外的 M3 螺丝将步进电机固定在 X 轴右侧，并将每根螺纹杆旋入相应的黄铜螺母中。将八根 8 毫米轴中的两根垂直插入每个支撑座中，再将另外两根 8 毫米轴水平插入。接下来，使用 M2 螺丝将两个轴固定座分别固定在顶板和电子元件外壳顶部，并使用 M3 螺丝将支撑座轴承固定在顶板上。使用 M3 螺丝将步进电机固定在电子设备外壳顶部，并使用 M2 内六角扳手拧紧下方的紧定螺钉，以将联轴器固定在步进电机的轴上。将 X 轴子组件安装到框架中时，将垂直的 8 毫米轴与轴支架对齐，并使用 M2 螺丝和内六角扳手将轴固定。然后，使用 M2 内六角扳手拧紧上方的紧定螺钉，将螺纹杆固定在联轴器的另一端。对于子组件的挤出部分，使用 M4 螺丝将两个轴承座固定在挤出机后板上，并使用 M3 螺丝将挤出机皮带夹固定在轴承座之间的挤出机后板上。使用 M3 内六角螺丝将挤出机后板固定到挤出机电机支架上，并将两个步进电机固定在挤出机电机支架上。使用 M2 内六角扳手拧紧下方的紧定螺钉，以将联轴器固定在步进电机的轴上，并拧紧上方的紧定螺钉，将螺纹螺杆固定在联轴器内。将加热套筒滑入挤出机电机支架中，并使用M3螺丝固定柱塞锁一内部的黄铜螺母。要将挤出头安装到X轴上，请将X轴上的8毫米轴插入挤出头的轴承座中，并将传动带穿过左右轴组件上的惰轮和带齿惰轮。然后使用M3内六角螺丝将传动带固定在挤出机皮带夹中。当框架组装完成后，使用 M3 螺丝将 Arduino 固定在亚克力部件七的电子屏蔽罩上，并将 RAMPS 板安装在 Arduino 板上方，USB 插口朝向亚克力部件六的后板。将直流电源插孔安装到亚克力部件六的后板上，并将连接器固定至电源。然后，参照接线图和标签，避免反向连接，将电机控制器、步进电机、限位开关、加热器和热电偶分别连接到对应的引脚上。线测试涉及使用一系列运动指令（称为G代码），在构建平台上以基本图案来回挤出丝材，以评估单根丝材的特性，如厚度或均匀性。线测试所用的打印参数详见下表。要创建复杂的3D物体，必须将待打印物体导入标准三角网格语言文件（STL文件）中，通过Repetier软件切片并转换为可打印的3D G代码。打印三维物体的参数包含在表格中。为了确定在这些实验中用于打印半固体材料的增材制造熔融挤出打印机在X、Y和Z方向上的尺寸精度，打印了一个边长为一厘米的立方体。随后对该立方体进行三维扫描，并将其尺寸与原始立方体的计算机辅助设计数据进行对比。然后使用开源的 Cloud Compare 软件程序对原始模型和三维扫描结果进行比较。在连接系统或打开电源之前，务必确保接线正确，并已由合格的技术人员检查。ADDME 是一个开源且可定制的平台，用于研究熔融挤出过程，适用于食品及阻隔型 3D 打印领域。

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Research

科研

JoVE Journal

Bioengineering

生物工程

设计开源、低成本生物墨水和食品熔炼挤出3D打印机

采用生物打印机基于可牺牲模具制备出具有特定图案的水凝胶。首先用第二种水凝胶填充泊洛沙姆模具，随后将其洗脱，形成可被第三种水凝胶填充的孔隙结构。该方法利用泊洛沙姆快速洗脱和良好可打印性的特点，实现由生物聚合物构建复杂结构。...

打印热响应性反向模具以制备用于三维细胞培养的图案化双组分水凝胶

我们设计了一种利用熔融沉积成型3D打印机进行模具设计、并采用改装干燥器作为液体注射系统的低成本、快速成型液体弹性体橡胶注塑装置的方法。...

使用3D打印模具进行液体注射成型以快速低成本地开发医疗设备原型

本文介绍了一种用于微流控应用的压力控制注射泵的构建方案。该注射泵由以下部件制成： 增材制造的主体、现成的硬件和开源电子元件。该系统成本低廉、易于搭建，可提供良好调控的流体流动，从而推动快速微流控研究。...

使用热塑性材料三维打印制造用于微流控应用的带反馈控制自动化注射泵

本文介绍了一种将低成本商用3D打印机改造为细菌3D打印机的方法，该设备可用于打印具有特定图案的生物膜。文中详细描述了生物打印机和生物墨水制备所需的所有关键步骤，以及用于评估生物膜形成效果的验证方法。...

使用自制生物打印机对工程化生物膜进行三维图案化

本文介绍了一种明胶甲基丙烯酰胺的3D生物打印方法。...

基于明胶甲基丙烯酰胺水凝胶生物墨水的3D生物打印方案

在本论文中，我们展示了含有石墨烯的生物杂化水凝胶生物墨水的制备方法，用于外周组织工程。利用这种3D生物杂化材料，实施干细胞的神经分化方案。这可能是将类似生物材料推向临床应用的重要一步。...

基于石墨烯的三维生物杂化水凝胶生物墨水的制备与表征及其在外周神经工程中的应用

工程化皮瓣需要整合功能性血管网络。在本方案中，我们介绍一种制造包含分级血管网络的3D打印组织皮瓣的方法，并将其直接与大鼠股动脉进行显微外科吻合。...

利用3D打印技术制备工程化血管皮瓣

水凝胶形成过程中的剪切处理可产生微凝胶悬浮液，该悬浮液具有剪切变稀特性，但在去除剪切力后能迅速重构。此类材料已被用作生物打印复杂、含细胞结构的支撑基质。本文描述了用于制备支撑床及相容性生物墨水的方法。...

通过凝胶化过程中剪切处理形成琼脂糖流体凝胶用于悬浮3D生物打印

利用κ-卡拉胶亚微凝胶介质嵌入式生物打印类组织结构

可溶性基底膜提取物是癌症研究中最常用的生物基质，但其复杂的流变行为使得在商业化的生物打印系统上进行生物打印十分困难。本研究提出了一种定制化的生物打印策略，能够以良好的形状保真度制备出单层和多层的纯基质结构。...

用于转化研究中可溶性基底膜提取物生物打印的容积式挤出生物打印机的设计与验证

了解如何组装ADDME开源低成本熔融挤出3D打印机。本视频演示使用亚克力部件和M3螺丝构建该生物打印平台的全过程，适用于食品加工和生物医学研究领域。

开源低成本生物墨水与食品熔融挤出3D打印机的设计

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