本研究の目的は、バイオメディカルおよび食品印刷業界での用途向けに、オープンソースおよび低コストのコンポーネントから作られた貯水槽ベースの溶融押出3次元プリンタを設計し、構築することです。
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方法論記事
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本研究の目的は、バイオメディカルおよび食品印刷業界での用途向けに、オープンソースおよび低コストのコンポーネントから作られた貯水槽ベースの溶融押出3次元プリンタを設計し、構築することです。
3次元(3D)印刷は、高度に複雑なオブジェクトを改造コストなしで製造することを可能にする、ますます普及している製造技術です。この人気の高まりは、システムのセットアップコストや操作の容易さなどの参入障壁の低下によって部分的に駆動されます。次のプロトコルは、カスタム部品およびコンポーネントの製造用のアディティブマニュファクチャリングメルト押出(ADDME)3Dプリンタの設計と構築を示します。ADDMEは、3Dプリント、レーザーカット、オンラインソースコンポーネントを組み合わせて設計されています。プロトコルは、フレーム、Y軸とベッド、x軸、押出、電子工学、ソフトウェアの見出しの下に詳細な図とパーツリストを備えた、簡単に従うセクションに配置されています。ADDMEの性能は粘性クリーム、チョコレート、およびPluronic F-127(バイオインクのモデル)を使用して複雑な物体の押出試験および3D印刷によって評価される。この結果は、ADDMEが幅広い産業で使用するための材料および構造の製造に対応するプラットフォームであることを示している。詳細な図とビデオコンテンツを組み合わせて、幅広い素材から複雑なオブジェクトを3Dプリントすることに関心を持つ個人が、低コストで操作しやすい機器へのアクセスを容易にします。
添加物製造は、産業景観1、2に大きな価値を提供する可能性を秘めている強力な製造技術です。アディティブマニュファクチャリングの魅力的な機能は、工具のコスト、高度なカスタマイズ、複雑な形状、および参入コストの障壁の削減を伴いません。リツールコストが発生しないため、プロトタイプの迅速な製造が可能となり、低賃金の競合他社に対して競争力を維持しようとする先進国の産業の重要な目的である「市場投入までの時間」を減らそうとするときに望ましいものです。高度なカスタマイズ性により、多種多様な製品を複雑な形状で製造できます。これらの要因を、セットアップ、材料、およびオペレータ特殊化のための低コストと組み合わせると、アディティブマニュファクチャリング技術3の明確な価値があります。
添加物製造は、3Dプリンティングとも呼ばれ、コンピュータ数値制御(CNC)システム3における物体の層ごとの製造を伴う。材料がシートまたは材料のブロックから取り除かれるミリングなどの従来の CNC プロセスとは異なり、3D 印刷システムは、レイヤーごとに目的の構造に材料を追加します。
3D プリントは、レーザー、フラッシュ、押出、噴射技術など、さまざまな方法で容易に行うことができます。採用される特定の技術は、原料の形態(すなわち、粉末または溶融物)、ならびに処理に必要なレオロジーおよび熱特性を決定する5。押し出しベースの3Dプリンティング市場はフィラメントベースのシステムによって支配されており、フィラメントは取り扱いが容易で、処理が容易であり、押出ヘッドに大量の材料を継続的に供給するためです。しかし、このプロセスはフィラメント(主に熱可塑性)に形成することができる材料の種類によって制限される。ほとんどの材料はフィラメントの形では存在せず、市場における近代的な低コストプラットフォームの欠如は顕著なギャップを表しています。
このプロトコルは、材料を注射器に格納し、針を通して押し出すことができるリザーバーベースの押出システムの構築を示しています。このシステムは、食品6、ポリマー7、およびバイオマテリアル8、9を含む材料の広い範囲を製造するのに理想的に適しています。さらに、貯留槽ベースの押出技術は、通常、他の3D印刷方法に比べて、より危険で、コストが低く、操作が容易です。
オープンソースの3Dプリントシステムを設計・公開する大学主導のチームが増えています。2007年10月10日のFab@Home押し出しベースのプリンタを皮とし、研究者は3D印刷技術とアプリケーションの急速な拡大を促進するためのシンプルで安価なプラットフォームを作成することを目指しました。2011年の後半、RepRapプロジェクトは、自己複製機12を作成することを目標に、3Dプリントで作られた部品で設計されたフィラメントベースの3Dプリントプラットフォームを作成することを目指しました。3Dプリンターのコストは、Fab@Home(2006年)で2300米ドル、RepRap v1(2005年)で573米ドル、v2(2011)で400ドルから、長年にわたって減少しています。
以前の研究では、オフザセルフ3D印刷システムとカスタムリザーバーベースの押出システムを組み合わせて、チョコレート13から複雑な3Dオブジェクトを作成する方法を実証しました。さらに設計調査を行った結果、このプロトタイプ設計と比較して大幅なコスト削減が可能であることが明らかになった。
このプロトコルの目的は、低コストのリザーバーベースの溶融押出3Dプリンタの構築手順を提供することです。ここには、3D プリンタの構築と操作を正常に行えるように、詳細な図、図面、ファイル、コンポーネント リストを示します。すべてのコンポーネントは、オープンソース(クリエイティブ・コモンズ非商用)プラットフォームhttps://www.thingiverse.com/Addme/collectionsでホストされており、ユーザーは必要に応じて機能を変更または追加することができます。粘性クリーム、チョコレート、およびPluronic F-127(バイオインクのモデル)は、ADDMEの性能を評価し、バイオメディカルおよび食品印刷業界へのADDME 3Dプリンタの適用を実証するために使用されます。
アクリルを切断できるレーザーカッターと、PLAまたはABSフィラメントを印刷できるデスクトップ3Dプリンタが必要です。機械加工された暖房ジャケットおよびヒーター・カートリッジまたはシリコーン・ヒーターは、オペレータがアクセスできる装置に応じて、材料を加熱するために使用することができます。すべての CAD ファイルはhttps://www.thingiverse.com/Addme/designsにあります。3Dプリンタを制御するファームウェアとソフトウェアの場合、http://marlinfw.org/meta/download/とhttps://www.repetier.com/がそれぞれ提供されます。制御ボードの詳細については、https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4を参照してください。
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注意:熱いはんだ付けアイロンや加熱カートリッジによる火傷のリスクがあります。加熱ジャケットの内部に固定されていない場合は、加熱カートリッジの電源を入れないでください。動く3Dプリンタ軸からつまんだり裂傷を負ったりする危険性もあります。
1. 概要と準備
メモ:図1Aは、コンピュータで生成されたプリンタのレンダリングを示し、図1Bは完成したプリンタの写真です。

図1:アディティブ製造溶融押出(ADDME)3Dプリンタ(A) プリンタのコンピュータ生成レンダリング。(B) 完成したプリンタの写真。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
2. フレームアセンブリ
メモ:図2に示す部品は、フレームアセンブリを完成させるために必要です。溶融押出3Dプリンタのフレームは、6mmレーザーカットアクリルとM3ボルトとナットの組み合わせで一緒に保持されます(図3)。プリンターの底はM10ねじ棒およびナットの組合せによってさらに強化される。

図2:フレームを組み立てるのに必要なコンポーネントこの図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図3:フレームアセンブリ(A) 組み立てられたフレーム。(B) アクリル部品と支持するM10ねじ棒を持つ分解図。(C) 各アクリル部品が互いに接続され、M3ネジとナットを使用してフレームを一緒に保持する方法を示す分解図。(D) ねじロッドがアクリル部品 6、8、および 9 を M10 ナットとワッシャーと一緒に保持する方法を示す分解図。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
3. Y軸および印刷ベッドのサブアセンブリ
メモ:図4に示す部品は、Y軸と印刷ベッドのサブアセンブリを仕上げるために必要です。すべてのねじは図 4に示され、工具は「材料表」にリストされています。

図4:Y軸と印刷ベッドのサブアセンブリを組み合わせるのに必要なコンポーネント。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図5:添加物製造溶融物押出(ADDME)3Dプリンタ。(A) フレーム、Y 軸、およびベッドのグラフィカル レンダリング。(B) Y 軸とベッドのグラフィカル レンダリング。(C) ベッドのサブアセンブリの分解図。(D) Y 軸が背面パネルにどのように接続するかを示すラベル付きビュー。(E) 機械的エンドストップのズームインビュー。(F) 印刷版スプリングレベリングシステムの分解図。(G) Y 軸がフロントパネルにどのように接続するかを示すラベル付きビュー。(H) Y 軸とベッドのサイド ビュー グラフィカル レンダリング。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
4. X軸サブアセンブリ
メモ:図6に示す部品は、X軸サブアセンブリを完成させるために必要です。すべてのねじは図 6に示され、ツールは「マテリアルの表」にリストされています。

図 6: X 軸サブアセンブリをまとめるのに必要なコンポーネント。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図 7: X 軸サブアセンブリ()フレームと x 軸のグラフィカル レンダリング。(b) X 軸のグラフィカルレンダリング。(c) サブアセンブリの左側の分解ビュー。(d) サブアセンブリの右側の分解図。(e) X 軸と上面パネルの接続方法を示すラベル付きビュー。(f) X 軸が電子エンクロージャーに接続する方法を示すラベル付きビュー。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
5. 押出サブアセンブリ
注:押出サブアセンブリは、デュアルステッパーモータ設計を利用して、プランジャの両側の力のバランスをとることにより、高い精度を実現します。図 8に示すパーツは、押し出しサブアセンブリを完成させるために必要です。

図8:押出機を組み立てるのに必要な部品。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図 9: 押出機サブアセンブリ(A)押出機サブアセンブリのグラフィカルレンダリング。(B) 押出し部品を示す分解図。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
6. エレクトロニクスと配線

図 10: 電子機器(A) 電子機器制御盤の取り付け位置のグラフィカルレンダリング。(B) 3Dプリント基板への電気部品とモータの接続図[Jos Hummelink (grabcab.com) ArduinoとRamps CADファイルを提供]。(c) 完成した配線のイメージ。ワイヤは、ランプボードから、押し出しヘッドとx/y軸モーターに導いて見ることができます。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
7. ソフトウェア、制御、および校正
メモ: 詳細な手順とトラブルシューティング情報については、https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4を参照してください。
8. 3Dプリントの準備

図 11: 3D 印刷準備(A)(左から)粘性クリーム(150mL、ニベアハンドクリーム)、チョコレート(キャドバリー、プレーンミルク)、プルロニックF-127(シグマ・オルドリッチ)を装填した2mLシリンジ。(B) プランジャロック1(3DP 11)に挿入されるプランジャー。(C) 示すシリンジは、加熱ジャケットに挿入され、ねじが真鍮のナットに引っ掛かっている。(D) 示すアレンキーは、保持 M3 16 進数ねじに挿入されようとしており、レベルを調整できます。(E) 名刺を注射器の下にスライドさせ、ベッドと注射器の間の距離を確認します。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
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3Dプリンティング中のADDMEの性能は粘性クリーム(150mL、ニベアハンドクリーム)、チョコレート(キャドバリー、プレーンミルク)、およびPluronic F-127(シグマ・オルドリッチ)を用いて評価した。粘性クリームとチョコレートを使用した場合、そのプルロニックを超純水で20%重量溶液に溶解し、14,15まで5°Cで冷蔵保存した。
ラインテストでは、厚さや一貫性などの個々のフィラメント特性を評価するために、基本的なパターンでフィラメントをビルドプレートに前後に印刷しました。ラインテストは、以下の方程式1に示すように、gcodeと呼ばれる一連の移動コマンドで行われました。押し出す材料の量は、式2を使用して見つけることができます。使用される印刷パラメータは表1に示され、結果は
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このプロトコルは、低コストの溶融押出ベースの3Dプリンタを構築するための詳細な手順を提供します。3Dプリンタの構造は、フレーム、Y軸/ベッド、x軸、押出機、電子工学、ソフトウェアを含むサブセクションに分解することができます。これらのサブセクションには、詳細な図、図面、ファイル、パーツ一覧が表示されます。ADDME 3Dプリンタの合計価格は$343 AUD(2019年1月17日時点で$245 USD)となり、現在知られている最も安価な貯水池ベースの溶融押出3Dプリンタです。レーザーカット、3Dプリント、市販のコンポーネントを使用して、このデバイスを簡単に製造することを目的としました。このデバイスの機能は、ラインテストと有機形状のオブジェクトの3D印刷によって実証されています。バイオメディカル産業や食品産業など、さまざまな用途へのADDMEの適用性は、粘性クリーム、チョコレート、Pluronic F-127(バイオインクのモデル)を使用して実証されています。
ADDMEの構築に使用する3Dプリント部品は、3Dプリントオブジェクトごとの品質の違いから生じる困難のために複雑になる可能性があ...
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著者たちは開示するものは何もない。
この研究は、公共、商業、または非営利セクターの資金調達機関から特定の助成金を受け取りませんでした。フロリアン・シュミットナー、サンドロ・ゴルカ、グリンダー・シン、ヴィンセント・トラン、ドミニク・ヴーのデザイン初期のプロトタイプへの貢献に感謝します。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 15 W 12V DC 50x100mmフレキシブルシリコン | ヒーターBanggood | 1280175 | オプション。AU$4.46 |
| 3Dプリンター | Lulzbot | https://download.lulzbot.com/ | |
| 3Dプリンター | Ultimaker Ultimaker | 2+ | |
| AC 100-240VからDC 12V 5A 60W電源 | Banggood | 994870 | AU$12.7 |
| アクリルシートホワイト連続キャスト1200x600mm | マルフォードプラスチックAU | $36.95 | |
| アレンキー | ズメトリック | ||
| Arduino MEGA2560 R3、RAMPS付き1.4 | コントローラーGeekcreit | 984594 | AU$28.91 |
| 炭素鋼リニアシャフト8mm x 350mm | Banggood | の1119330 | AU$13.44 |
| 炭素鋼のリニアシャフト8mm x 500mm | Banggood | の1276011 | AU$19.42 |
| インターネットアクセス | |||
| チョコレート | キャドバリー | ||
| デルカプラー5-8mm | バングッド | 1070710 | AU$6.93 |
| クリームニ | ベア | 80102 | |
| 加熱カートリッジ | Creality 3D | 1192704 | AU$4.75K |
| タイプ温度センサー熱電対 | バングッド | 1212169 | AU$2.37 |
| レーザーカッター | trotec | Speedy 300 | https://www.troteclaser.com/ |
| >M10 1mm ピッチ スレッド メタル 六角ナット + ワッシャー | UXCELL | AU$8.84 | |
| M10 1mm ピッチ 亜鉛メッキパイプ 400mm 長さ | UXCELL | AU$11.62 | |
| M2 - 0.4mm めねじ真鍮インサート | Ebay | AU$5.65 | |
| M2 ナット | Suleve | 1239291 | AU$9.17 |
| M2 x 10 mm ボタン六角ネジ | Suleve | 1239291 | AU$9.17 |
| M2 x 5mm ボタン六角ネジ | Suleve | 1239291 | AU$9.17 |
| M3 - 0.5mm めねじ真鍮インサート | Suleve | 1262071 | AU$7.5 |
| M3 ナット | Suleve | 1109208 | AU$7.85 |
| M3 ワッシャー | Banggood | 1064061 | AU$3.05 |
| M3 x 10mm ボタン六角ネジ | Suleve | 1109208 | AU$7.85 |
| M3 x 20mm ボタン六角ネジ | Suleve | 1109208 | AU$7.85 |
| M3 x 6mm ボタン六角ネジ | Suleve | 1109208 | AU$7.85 |
| M3 x 8mmボタン六角ネジ | Suleve | 1109208 | AU$7.85 |
| M4 x 8mm ボタン六角ネジ | Suleve | 1273210 | AU$4.32 |
| ニードルルアーロック18-27ゲージ | テルモ | TGA ARTG ID: | 130227 AU$3.57 |
| NEMA 17ステッピング | モーターCasun | 42SHD0001-24B | AU$54 |
| NEMAステッピングモーター取り付けブラケット | Banggood | ptNema17br90 | AU$4.79 |
| ピローブロックフランジベアリング8mm | Banggood | KFL08 | AU$5.04 |
| PLAフィラメント | Creality 3D | 1290153 AU$24.95 | |
| プルロニックF127 | グマアルドリッチ | P2443-250G | |
| SC8UU 8mmリニアモーションボールベアリング | ツールクール | 935967 | AU$21.6 |
| SG-5GLマイクロリミットスイッチ | オムロン | 1225333 | AU$4.5 |
| はんだ付けステーション | はんだ、ワイヤー、熱収縮など | ||
| スプリング | バングッド | 995375 | AU$2.53 シ |
| リンジ 3ml ルアーロック ポリプロピレン | Brauhn | 9202618N | AU$3.14 |
| タイミングプーリー GT2 20 歯とベルトセット | バングッド | 10811303 | AU$11.48 |
| 台形リードスクリューとナット 8mm x 400mm | バングッド | 1095315 | AU$29.02 |
| 可変スパナ |
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