Name: オープンソース、低コストのバイオインク、食品溶融物押出3Dプリンタの設計 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-03-02T12:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 1 s
Description: 学ぶADDMEの組み立て方法。350ドル未満のオープンソース溶融押出3Dプリンタで、食品・バイオインク印刷に対応。アクリル部品とM3ネジを使用し、複雑な3D構造を作成する手順を解説します。

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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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著者たちは開示するものは何もない。

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...

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<a href="https://www.thingiverse.com/Addme/collections" target="_blank">https://www.thingiverse.com/Addme/collections</a>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<a href="https://www.thingiverse.com/Addme/designs" target="_blank">https://www.thingiverse.com/Addme/designs</a>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<a href="http://marlinfw.org/meta/download/" target="_blank">、http://marlinfw.org/meta/download/</a>と<a href="https://www.repetier.com/" target="_blank">https://www.repetier.com/</a>がそれぞれ提供されます。制御ボードの詳細については<a href="https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4" target="_blank">、https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4</a>を参照してください。

<table><tbody><tr><td>15 W 12V DC 50x100mmフレキシブルシリコン</td><td>ヒーターBanggood</td><td>1280175</td><td>オプション。AU$4.46</td></tr><tr><td>3Dプリンター</td><td>Lulzbot</td><td></td><td><a href="https://download.lulzbot.com/TAZ/6.02/documentation/manual/9780989378482_interior_r6.02.pdf" target="_blank">https://download.lulzbot.com/</a></td></tr><tr><td>3Dプリンター</td><td>Ultimaker Ultimaker</td><td>2+</td><td></td></tr><tr><td>AC 100-240VからDC 12V 5A 60W電源</td><td>Banggood</td><td>994870</td><td>AU$12.7</td></tr><tr><td>アクリルシートホワイト連続キャスト1200x600mm</td><td>マルフォードプラスチックAU</td><td></td><td>$36.95</td></tr><tr><td>アレンキー</td><td>ズメトリック</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Arduino MEGA2560 R3、RAMPS付き1.4</td><td>コントローラーGeekcreit</td><td>984594</td><td>AU$28.91</td></tr><tr><td>炭素鋼リニアシャフト8mm x 350mm</td><td>Banggood</td><td>の1119330</td><td>AU$13.44</td></tr><tr><td>炭素鋼のリニアシャフト8mm x 500mm</td><td>Banggood</td><td>の1276011</td><td>AU$19.42</td></tr><tr><td>インターネットアクセス</td><td></td><td></td><td></td>付き</tr><tr><td>チョコレート</td><td>キャドバリー</td><td></td><td></td></tr>コンピューター<tr><td>デルカプラー5-8mm</td><td>バングッド</td><td>1070710</td><td>AU$6.93</td></tr>ハンド<tr><td>クリームニ</td><td>ベア</td><td>80102</td><td></td></tr><tr><td>加熱カートリッジ</td><td>Creality 3D</td><td>1192704</td><td>AU$4.75K</td></tr><tr><td>タイプ温度センサー熱電対</td><td>バングッド</td><td>1212169</td><td>AU$2.37</td></tr><tr><td>レーザーカッター</td><td>trotec</td><td>Speedy 300</td><td><a href="https://www.troteclaser.com/fileadmin/content/images/Contact_Support/Manuals/8047-speedy-400-redesign-manual-EN.pdf" target="_blank">https://www.troteclaser.com/</a</td></tr><tr><td>>M10 1mm ピッチ スレッド メタル 六角ナット + ワッシャー</td><td>UXCELL</td><td></td><td>AU$8.84</td></tr><tr><td>M10 1mm ピッチ 亜鉛メッキパイプ 400mm 長さ</td><td>UXCELL</td><td></td><td>AU$11.62</td></tr><tr><td>M2 - 0.4mm めねじ真鍮インサート</td><td>Ebay</td><td></td><td>AU$5.65</td></tr><tr><td>M2 ナット</td><td>Suleve</td><td>1239291</td><td>AU$9.17</td></tr><tr><td>M2 x 10 mm ボタン六角ネジ</td><td>Suleve</td><td>1239291</td><td>AU$9.17</td></tr><tr><td>M2 x 5mm ボタン六角ネジ</td><td>Suleve</td><td>1239291</td><td>AU$9.17</td></tr><tr><td>M3 - 0.5mm めねじ真鍮インサート</td><td>Suleve</td><td>1262071</td><td>AU$7.5</td></tr><tr><td>M3 ナット</td><td>Suleve</td><td>1109208</td><td>AU$7.85</td></tr><tr><td>M3 ワッシャー</td><td>Banggood</td><td>1064061</td><td>AU$3.05</td></tr><tr><td>M3 x 10mm ボタン六角ネジ</td><td>Suleve</td><td>1109208</td><td>AU$7.85</td></tr><tr><td>M3 x 20mm ボタン六角ネジ</td><td>Suleve</td><td>1109208</td><td>AU$7.85</td></tr><tr><td>M3 x 6mm ボタン六角ネジ</td><td>Suleve</td><td>1109208</td><td>AU$7.85</td></tr><tr><td>M3 x 8mmボタン六角ネジ</td><td>Suleve</td><td>1109208</td><td>AU$7.85</td></tr><tr><td>M4 x 8mm ボタン六角ネジ</td><td>Suleve</td><td>1273210</td><td>AU$4.32</td></tr><tr><td>ニードルルアーロック18-27ゲージ</td><td>テルモ</td><td>TGA ARTG ID:</td><td>130227 AU$3.57</td></tr><tr><td>NEMA 17ステッピング</td><td>モーターCasun</td><td>42SHD0001-24B</td><td>AU$54</td></tr><tr><td>NEMAステッピングモーター取り付けブラケット</td><td>Banggood</td><td>ptNema17br90</td><td>AU$4.79</td></tr><tr><td>ピローブロックフランジベアリング8mm</td><td>Banggood</td><td>KFL08</td><td>AU$5.04</td></tr><tr><td>PLAフィラメント</td><td>Creality 3D</td><td></td><td>1290153 AU$24.95</td></tr><tr><td>プルロニックF127</td>シ<td>グマアルドリッチ</td><td>P2443-250G</td><td></td></tr><tr><td>SC8UU 8mmリニアモーションボールベアリング</td><td>ツールクール</td><td>935967</td><td>AU$21.6</td></tr><tr><td>SG-5GLマイクロリミットスイッチ</td><td>オムロン</td><td>1225333</td><td>AU$4.5</td></tr><tr><td>はんだ付けステーション</td><td></td><td></td><td>はんだ、ワイヤー、熱収縮など</td></tr><tr><td>スプリング</td><td>バングッド</td><td>995375</td><td>AU$2.53 シ</td></tr><tr><td>リンジ 3ml ルアーロック ポリプロピレン</td><td>Brauhn</td><td>9202618N</td><td>AU$3.14</td></tr><tr><td>タイミングプーリー GT2 20 歯とベルトセット</td><td>バングッド</td><td>10811303</td><td>AU$11.48</td></tr><tr><td>台形リードスクリューとナット 8mm x 400mm</td><td>バングッド</td><td>1095315</td><td>AU$29.02</td></tr><tr><td>可変スパナ</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

オープンソース、低コストのバイオインク、食品溶融物押出3dプリンタの設計

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

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。

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<strong clas...

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。

オープンソース、低コストのバイオインク、食品溶融物押出3Dプリンタの設計

Three-dimensional (3D) printing is an increasingly popular manufacturing technique that allows highly complex objects to be fabricated with no retooling ...

この手順では、ADDME、低コスト、オープンソース、溶融押出およびバイオインク3Dプリンタを構築する方法を説明します。メルト押出およびバイオインク3Dプリンタは数千ドルの費用がかかり、通常はクローズドソースです。ADDMEは、350未満の費用がかかるオープンソース、カスタマイズ可能な3D印刷プラットフォームです。ADDMEは、食品加工、ポリマー複合材料製造、バイオプリンティングにおける用途に幅広い材料を用いた複雑な3D形状の製造を可能にします。このビデオでは、ADDME を構築してテストするためにさまざまなコンポーネントがどのように組み合わせるかを示すデモンストレーションを提供します。1個から9個のアクリル部品を接続した後、各部品が正しく配置されていることを確認するために図のラベルをチェックし、M3ネジとM3アレンキーを使用してピースを固定します。その後、アクリル材6、8、10に作られた穴を通してM10ネジロッドを置き、M10ワッシャーとナットでロッドを固定し、可変スパナでナットを締めます。Y軸と印刷ベッドを組み立てるには、2つの枕ブロックを8ミリメートルシャフトの上にスライドさせ、エンドストップを8ミリメートルシャフトの1つにスライドさせます。M2ネジとアレンキーを使用して機械的なエンドストップを固定し、M4ネジを使用して4つの枕ブロックをすべて取り付けベッドに固定します。M3ネジとアレンキーを使用して取り付けベッドにベルトクランプを固定し、M3ネジ、ナット、スプリングアレンジを使用して、プリントベッドを取り付けベッドに固定します。次に、M2ネジとアレンキーを使用して、2つのシャフトホルダーを背面パネルとフロントパネルに固定し、M3ネジを使用してステッパーモーターホルダーをバックパネルに固定します。次に、追加のM3ネジを使用してステッパーモーターホルダーにステッパーモーターを固定し、フロントパネルにベルトアイドラーを固定します。印刷ベッドのサブアセンブリをフレームに挿入するには、8ミリメートルシャフトの両端をシャフトホルダーに合わせます。X軸サブアセンブリの左側を組み立てるには、ナットホルダーの内側に真鍮ナットを置き、M3ネジとアレンキーを使用してナットをX軸枕に固定します。M4ネジとアレンキーを使用して、枕ブロックをX軸枕左に固定し、X軸アイドラー1をM3ネジで残したX軸枕に固定します。アイドラー、X軸アイドラー1、X軸アイドラー2の中心穴を合わせ、M3ネジとアレンキーでこれらの材料を固定します。X軸サブアセンブリの右側を組み立てるには、真鍮ナットをナットホルダーの内側に置き、ナットをM3ネジでX軸枕に固定します。枕ブロックをM4ネジでX軸枕に固定し、M3ネジでX軸枕に右に固定します。追加のM3ネジを使用して、ステッパーモーターをX軸右に固定し、各ねじ棒を各真鍮ナットにねじ込みます。8ミリメートルのシャフトのうち2本を枕ブロックのそれぞれに垂直にスライドさせ、8ミリメートルシャフトのうち2つを水平にスライドさせます。次に、M2ネジを使用して、2つのシャフトホルダーを上部パネルとエレクトロニクスエンクロージャの上部に固定し、M3ネジを使用してピローブロックベアリングをトップパネルに固定します。ステッパーモーターをM3ネジで電子エンクロージャトップに固定し、M2アレンキーを使用して下のグラブネジを締めてステッパーモーターのシャフトにカプラーを固定します。X 軸サブアセンブリをフレームに配置するには、垂直 8 ミリメートルシャフトをシャフトホルダーに合わせ、M2 ねじとアレンキーでシャフトを締めます。次に、M2 アレンキーを使用して上グラブねじを締めて、カプラーのもう一方の端にねじ棒を固定します。サブアセンブリの押出には、M4ネジを使用して2つのピローブロックを押出機のバックプレートに固定し、M3ネジを使用して、ピローブロック間の押出機バックプレートに押出機ベルトクランプを固定します。押出機のバックプレートを押出機のモーターホルダーに固定し、2つのステッパーモーターを押出機モーターホルダーに固定するために、M3六重ねじを使用します。M2アレンキーで下のグラブネジを締めて、ステッパーモーターのシャフトの上にカプラーを固定し、上のグラブネジを締めてカプラー内のネジを固定します。暖房ジャケットを押出機モーターホルダーにスライドさせ、M3ネジを使用してプランジャーロック1の中の真鍮ナットを固定します。押出ヘッドをX軸に取り付けるには、X軸上にある8ミリメートルのシャフトを押出機の頭の枕ブロックにスライドさせ、ドライブベルトをアイドラーを通して、左右の軸アセンブリに歯を付けてアイドラーで包みます。次に、M3六重ねじを使用して、押出機ベルトクランプのドライブベルトを固定します。フレームアセンブリが完成したら、M3ネジを使用してArduinoをアクリル部品7電子シュラウドに取り付け、USBプラグをアクリル部分6バックパネルに接続してArduinoボードの上にRAMPSボードを挿入します。DC電源ジャックをアクリル部品6バックパネルに取り付け、コネクタを電源に固定します。次に、配線図とラベルを使用して、逆方向に接続を取り付けないように、モーターコントローラ、ステッパーモーター、エンドストップ、ヒーター、熱電対をそれぞれのピンに接続します。ラインテストでは、Gコードと呼ばれる一連の移動コマンドを使用して、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の基本パターンで、ビルドプレート上でフィラメントを前後に印刷します。ライン テストに使用される印刷パラメーターがテーブルに含まれています。複雑な 3D オブジェクトを作成するには、標準のテッセレーション言語ファイルに入力して Repetier に入れ、3D 印刷可能な G コードにスライスする必要があります。3D オブジェクトを印刷するためのパラメータがテーブルに含まれます。半固体材料を印刷する際にX、Y、Z方向でこれらの実験に用いた添加物製造メルト押出プリンタの寸法精度を求めるために、1センチ×1センチメートル、1センチメートルの立方体を印刷した。その後、キューブを3Dスキャンし、元のキューブコンピュータの補助製図データと寸法比較しました。その後、元のモデルと3Dスキャンをオープンソースのクラウド比較ソフトウェアプログラムを使用して比較しました。システムを接続する前、または電源をオンにする前に、配線が正しく行われていること、および資格のある技術者によってチェックされていることを確認してください。ADDMEは、食品の用途と3D印刷を禁止する溶融押出プロセスを研究するためのオープンソースとカスタマイズ可能なプラットフォームです。

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Bioengineering

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ゼラチンメタクリロイルヒドロゲルベースバイオインクの3Dバイオプリンティングのプロトコル

この原稿では、末梢組織工学で使用するためのグラフェンを含むバイオハイブリッドヒドロゲルバイオインクの調製を示します。この3Dバイオハイブリッド材料を用いて、幹細胞の神経分化プロトコールを行う。これは、同様の生体材料を診療所に持ち込む上で重要なステップになる可能性があります。...

末梢神経工学のためのグラフェンベースの3Dバイオハイブリッドヒドロゲルバイオインクの調製と特性評価

操作されたフラップは、組み込まれた機能的な血管網を必要とする。このプロトコルでは、ラット大腿動脈への階層的血管網およびその直接顕微手術吻合を含む3D印刷組織フラップを作製する方法を提示する。...

3Dプリンティング技術を用いた血管フラップの作製

ヒドロゲル形成中のせん断処理は、剪断薄いが剪断力の除去後に急速に再構築するミクロゲル懸濁液の生成をもたらす。このような材料は、バイオプリンティング複合体、細胞を含んだ構造のための支持マトリックスとして使用されてきた。ここでは、支持床および適合バイオインクを製造するために使用される方法が説明される。...

懸濁3Dバイオプリンティングのためのゲル化中のせん断処理によって形成されたアガロース流体ゲル

κ-カラギーナンサブマイクロゲル培地を用いた組織様構造の埋め込みバイオプリンティング

可溶性基底膜抽出物は、がん研究で最も広く使用されている生物学的マトリックスですが、その複雑なレオロジー挙動により、市販のバイオプリンティングシステムではバイオプリンティングが困難になります。この研究は、単一層と多層の両方で良好な形状忠実度を持つ純粋なマトリックスコンストラクトを生成するためのカスタマイズされたバイオプリンティング戦略を示しています。...

トランスレーショナルリサーチのための可溶性基底膜抽出物のバイオプリンティングのための容積押出バイオプリンターの設計と検証

学ぶADDMEの組み立て方法。350ドル未満のオープンソース溶融押出3Dプリンタで、食品・バイオインク印刷に対応。アクリル部品とM3ネジを使用し、複雑な3D構造を作成する手順を解説します。

オープンソース、低コストのバイオインク、食品溶融物押出3Dプリンタの設計

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