Summary

Design eines 3D-Druckers für Open-Source- und Low-Cost-Bioink und Lebensmittelschmelzextrusion

Published: March 02, 2020
doi:

Summary

Ziel dieser Arbeit ist es, einen behälterbasierten Schmelzextrusions-Dreidimensionaldrucker aus Open-Source- und Low-Cost-Komponenten für Anwendungen in der Biomedizin- und Lebensmitteldruckindustrie zu konstruieren und zu konstruieren.

Abstract

Der dreidimensionale (3D) Druck ist eine immer beliebter werdende Fertigungstechnik, mit der hochkomplexe Objekte ohne Umrüstkosten hergestellt werden können. Diese zunehmende Popularität ist zum Teil auf sinkende Eintrittsbarrieren wie Systemaufbaukosten und einfache Bedienung zurückzuführen. Das folgende Protokoll stellt die Konstruktion und Konstruktion eines ADDME-3D-Druckers (Additive Manufacturing Melt Extrusion) für die Herstellung von kundenspezifischen Teilen und Komponenten vor. ADDME wurde mit einer Kombination aus 3D-gedruckten, lasergeschnittenen und Online-Komponenten entwickelt. Das Protokoll ist in leicht verständliche Abschnitte mit detaillierten Diagrammen und Teilelisten unter den Überschriften Framing, y-Achse und Bett, x-Achse, Extrusion, Elektronik und Software angeordnet. Die Leistung von ADDME wird durch Extrusionstests und 3D-Druck komplexer Objekte mit viskoser Creme, Schokolade und Pluronic F-127 (ein Modell für Bioinks) bewertet. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass ADDME eine leistungsfähige Plattform für die Herstellung von Materialien und Konstrukten für den Einsatz in einer Vielzahl von Branchen ist. Die Kombination aus detaillierten Diagrammen und Videoinhalten erleichtert Personen, die sich für den 3D-Druck komplexer Objekte aus einer Vielzahl von Materialien interessieren, den Zugang zu kostengünstigen, einfach zu bedienenden Geräten.

Introduction

Additive Fertigung ist eine leistungsstarke Fertigungstechnologie, die das Potenzial hat, einen signifikanten Wert für die Industrielandschaft zu bieten1,2. Die attraktiven Eigenschaften der additiven Fertigung beinhalten keine Werkzeugkosten, hohe Anpassungsmöglichkeiten, komplexe Geometrien und reduzierte Eintrittsbarrieren. Keine Umrüstkosten erlauben die schnelle Herstellung von Prototypen, was wünschenswert ist, wenn man versucht, die “Time to Market” zu verringern, was ein kritisches Ziel der Industrien in den Industrieländern ist, die versuchen, gegenüber Niedriglohnkonkurrenten wettbewerbsfähig zu bleiben1. Eine hohe Anpassbarkeit ermöglicht die Herstellung einer Vielzahl von Produkten mit komplexen Geometrien. Wenn diese Faktoren mit den niedrigen Kosten für Einrichtung, Materialien und Spezialisierung des Bedieners kombiniert werden, gibt es einen klaren Wert der additiven Fertigungstechnologien3.

Additive Fertigung, auch 3D-Druck genannt, beinhaltet Schicht-für-Schicht-Fertigung eines Objekts in einem computernumerischen gesteuerten (CNC) System3. Im Gegensatz zu herkömmlichen CNC-Prozessen wie dem Fräsen, bei denen Material aus einem Blech oder Materialblock entfernt wird, fügt ein 3D-Drucksystem Material Schicht für Schicht Material in die gewünschte Struktur ein.

Der 3D-Druck kann durch eine Reihe von Methoden wie Laser-, Blitz-, Extrusions- oderJetting-Technologien4 erleichtert werden. Die eingesetzte spezifische Technologie bestimmt die Form des Rohmaterials (d.h. Pulver oder Schmelze) sowie die rheologischen und thermischen Eigenschaften, die für die Verarbeitung erforderlich sind5. Der extrusionsbasierte 3D-Druckmarkt wird von filamentbasierten Systemen dominiert, die darauf zurückzuführen sind, dass Filamente einfach zu handhaben, zu verarbeiten und kontinuierlich große Materialmengen an den Extrusionskopf liefern. Dieser Prozess wird jedoch durch die Art des Materials begrenzt, das zu Filamenten (hauptsächlich Thermoplasten) geformt werden kann. Die meisten Materialien existieren nicht in Filamentform, und der Mangel an modernen Low-Cost-Plattformen auf dem Markt stellt eine bemerkenswerte Lücke dar.

Dieses Protokoll zeigt den Aufbau eines reservoirbasierten Extrusionssystems, mit dem Materialien in einer Spritze gelagert und durch eine Nadel extrudiert werden können. Dieses System ist ideal geeignet, um eine breite Palette von Materialien einschließlich Lebensmittel6, Polymere7und Biomaterialien8,9. Darüber hinaus sind reservoirbasierte Extrusionstechniken in der Regel weniger gefährlich, kostengünstiger und einfacher zu bedienen als andere 3D-Druckverfahren.

Es gibt eine wachsende Anzahl von universitären Teams, die Open-Source-3D-Drucksysteme entwerfen und veröffentlichen. Beginnend mit dem Fab@Home Extrusionsdrucker im Jahr 200710,11, wollten die Forscher eine einfache und kostengünstige Plattform schaffen, um eine schnelle Expansion in der 3D-Drucktechnologie und -anwendungen voranzutreiben. Später im Jahr 2011 zielte das RepRap-Projekt darauf ab, eine filamentbasierte 3D-Druckplattform zu schaffen, die mit Teilen aus 3D-Druck entworfen wurde, mit dem Ziel, eine sich selbst replizierende Maschine zu erstellen12. Die Kosten für 3D-Drucker sind im Laufe der Jahre gesunken, von 2300 USD für eine Fab@Home (2006), 573 USD für einen RepRap v1 (2005) und 400 USD für v2 (2011).

In früheren Arbeiten haben wir gezeigt, wie ein selbstabgelassenes 3D-Drucksystem mit einem benutzerdefinierten reservoirbasierten Extrusionssystem kombiniert werden kann, um komplexe 3D-Objekte aus Schokolade zu erstellen13. Eine weitere Konstruktionsuntersuchung hat gezeigt, dass im Vergleich zu diesem Prototypenentwurf erhebliche Kosteneinsparungen erzielt werden können.

Ziel dieses Protokolls ist es, Anweisungen für den Bau eines kostengünstigen, auf Reservoir basierenden Schmelzextrusions-3D-Druckers zu geben. Hier sind detaillierte Diagramme, Zeichnungen, Dateien und Komponentenlisten dargestellt, um den erfolgreichen Aufbau und Betrieb eines 3D-Druckers zu ermöglichen. Alle Komponenten werden auf der Open-Source-Plattform (Creative Commons noncommercial) https://www.thingiverse.com/Addme/collectionsgehostet, die es Benutzern ermöglicht, nach Belieben zusätzliche Funktionen zu ändern oder hinzuzufügen. Viskose Creme, Schokolade und Pluronic F-127 (ein Modell für Bioinks) werden verwendet, um die Leistung von ADDME zu bewerten und die Anwendung des ADDME 3D-Druckers in der Biomedizin- und Lebensmitteldruckindustrie zu demonstrieren.

Für dieses Protokoll sind ein Laserschneider zum Schneiden von Acryl und ein Desktop-3D-Drucker erforderlich, der PLA- oder ABS-Filamente drucken kann. Je nachdem, zu welchem Gerät der Bediener Zugang hat, kann ein bearbeiteter Heizmantel und eine Heizpatrone oder eine Silikonheizung verwendet werden. Alle CAD-Dateien finden Sie unter https://www.thingiverse.com/Addme/designs. Für Firmware und Software zur Steuerung des 3D-Druckers werden http://marlinfw.org/meta/download/ und https://www.repetier.com/ Ressourcen bereitgestellt. Ausführliche Anweisungen zur Leitstelle finden Sie unter https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4.

Protocol

VORSICHT: Es besteht die Gefahr von Verbrennungen durch heiße Lötkolben und Heizpatronen. Die Heizpatrone sollte niemals mit Strom versorgt werden, wenn sie nicht im Inneren des Heizmantels befestigt ist. Es besteht auch die Gefahr von Kneifungen oder Zerrungen von der sich bewegenden 3D-Druckerachse. 1. Übersicht und Vorbereitung HINWEIS: Abbildung 1A zeigt ein computergeneriertes Rendering des Druckers und <strong cl…

Representative Results

Die Leistung von ADDME beim 3D-Druck wurde mit einer viskosen Creme (150 ml, Nivea Handcreme), Schokolade (Cadbury, Klarmilch) und Pluronischer F-127 (Sigma Aldrich) bewertet. Die viskose Sahne und Schokolade wurden wie besprochen verwendet, und der Pluronic wurde in eine 20%ige Gew-Lösung mit reinstem Wasser aufgelöst und bei 5 °C gekühlt bis zum Bedarf14,15gelagert. <p class="jove_content" fo:keep-together.within-page="1…

Discussion

Dieses Protokoll enthält detaillierte Anweisungen zum Erstellen eines kostengünstigen 3D-Druckers auf Schmelzeextrusionsbasis. Die Konstruktion des 3D-Druckers kann in Unterabschnitte wie Rahmen, Y-Achse/Bett, x-Achse, Extruder, Elektronik und Software unterteilt werden. Diese Unterabschnitte werden mit detaillierten Diagrammen, Zeichnungen, Dateien und Teilelisten präsentiert. Der Gesamtpreis eines ADDME 3D-Druckers beträgt 343 AUD (245 USD per 17.01.2019), was dies zum billigsten, reservoirbasierten Schmelzextrusio…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Forschung erhielt keine spezifischen Zuschüsse von Förderstellen in den Bereichen öffentliche, kommerzielle oder gemeinnützige Zwecke. Besonderer Dank geht an Florian Schmittner, Sandro Gorka, Gurinder Singh, Vincent Tran und Dominik Vu für ihren Beitrag zu einem früheren Prototyp des Designs.

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

Referenzen

  1. 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).
  2. Gilchrist, A. Introducing Industry 4.0. Industry 4.0. , 195-215 (2016).
  3. 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).
  4. Wong, K., Hernandez, A. A Review of Additive Manufacturing. ISRN Mechanical Engineering. 10, (2012).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Stansbury, J. W., Idacavage, M. J. 3D printing with polymers: Challenges among expanding options and opportunities. Dental Materials. 32 (1), 54-64 (2016).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Malone, E., Lipson, H. Fab@Home: the personal desktop fabricator kit Article information. Rapid Prototyping Journal. 13 (4), 245-255 (2007).
  11. Vilbrandt, T., Malone, E., Lipson, H., Pasko, A. Universal Desktop Fabrication. Heterogeneous Objects Modelling and Applications. , 259-284 (2008).
  12. Jones, R., et al. RepRap-the replicating rapid prototyper. Robotica. 29, 177-191 (2011).
  13. Lanaro, M., et al. 3D printing complex chocolate objects: Platform design, optimization and evaluation. Journal of Food Engineering. , (2017).
  14. Wu, W., DeConinck, A., Lewis, J. A. Omnidirectional Printing of 3D Microvascular Networks. Advanced Materials. 23 (24), H178-H183 (2011).
  15. 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).

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Diesen Artikel zitieren
Lanaro, M., Skewes, J., Spiers, L., Yarlagadda, P. K., Woodruff, M. A. Design of an Open-Source, Low-Cost Bioink and Food Melt Extrusion 3D Printer. J. Vis. Exp. (157), e59834, doi:10.3791/59834 (2020).

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