Summary
Formålet med dette arbejde er at designe og konstruere en reservoirbaseret smelteekstrudering af tredimensionalprinter fremstillet af open source- og lavpriskomponenter til applikationer i den biomedicinske industri og fødevareudskrivningsindustrien.
Abstract
Tredimensionel (3D) udskrivning er en stadig mere populær fremstillingsteknik, der gør det muligt at fremstille meget komplekse objekter uden omføringsomkostninger. Denne stigende popularitet er til dels drevet af faldende adgangsbarrierer såsom systemopsætningsomkostninger og driftslethed. Følgende protokol præsenterer design og konstruktion af en Additive Manufacturing Melt Extrusion (ADDME) 3D printer til fremstilling af brugerdefinerede dele og komponenter. ADDME er designet med en kombination af 3D-printede, laserskårne og online-sourced komponenter. Protokollen er arrangeret i letatse sektioner, med detaljerede diagrammer og dele lister under overskrifterne indramning, y-akse og seng, x-akse, ekstrudering, elektronik og software. Addme's ydeevne evalueres ved ekstruderingstest og 3D-print ning af komplekse genstande ved hjælp af tyktflydende creme, chokolade og pluronic F-127 (en model for bioinks). Resultaterne viser, at ADDME er en egnet platform til fremstilling af materialer og konstruktioner til brug i en lang række brancher. Kombinationen af detaljerede diagrammer og videoindhold letter adgangen til billigt udstyr, der er let at betjene, for personer, der er interesseret i 3D-print ning af komplekse genstande fra en lang række materialer.
Introduction
Additiv fremstilling er en stærk fremstillingsteknologi , der har potentiale til at give industrielt landskab1,2en betydelig værdi . De attraktive funktioner i additiv fremstilling indebærer ingen værktøjsomkostninger, høje niveauer af tilpasning, komplekse geometrier, og reducerede hindringer for indgangsomkostninger. Ingen omstillingomkostninger giver mulighed for hurtig fremstilling af prototyper, hvilket er ønskeligt, når man forsøger at reducere "tid til markedet", hvilket er et kritisk mål for industrier i udviklede lande, der forsøger at forblive konkurrencedygtige over for lavtlønskonkurrenter1. Høje niveauer af customizability giver mulighed for en bred vifte af produkter, der skal fremstilles med komplekse geometrier. Når disse faktorer kombineres med de lave omkostninger til opsætning, materialer og operatørspecialisering, er der en klar værdi af additiv fremstillingsteknologi3.
Additiv fremstilling, også kaldet 3D-print, indebærer lag-for-lag fabrikation af et objekt i en computer numerisk kontrolleret (CNC) system3. I modsætning til traditionelle CNC-processer som fræsning, hvor materiale fjernes fra et ark eller materialeblok, tilføjer et 3D-printsystem materiale til den ønskede struktur lag for lag.
3D-print kan lettes gennem en række metoder, herunder laser, flash, ekstrudering, eller jetting teknologier4. Den anvendte specifikke teknologi bestemmer råvarens form (dvs. pulver eller smelte), samt de reologiske og termiske egenskaber, der kræves til forarbejdning5. Markedet for ekstruderingsbaseret 3D-print er domineret af filamentbaserede systemer, som skyldes, at glødetråder er nemme at håndtere, behandle og løbende levere store mængder materiale til ekstruderingshovedet. Denne proces er imidlertid begrænset af den type materiale, der kan dannes i filamenter (hovedsagelig termoplast). De fleste materialer findes ikke i filamentform, og manglen på moderne lavprisplatforme på markedet er et bemærkelsesværdigt hul.
Denne protokol viser opførelsen af et reservoir-baseret ekstruderingssystem, der gør det muligt at opbevare materialer i en sprøjte og ekstruderet gennem en nål. Dette system er velegnet til fremstilling af en bred vifte af materialer, herunder fødevarer6, polymerer7, og biomaterialer8,9. Desuden er reservoirbaserede ekstruderingsteknikker typisk mindre farlige, lavere omkostninger og lettere at betjene end andre 3D-udskrivningsmetoder.
Der er et stigende antal universitetsledede teams, der designer og frigiver open source 3D-printsystemer til offentligheden. Begyndende med Fab@Home ekstrudering-baseret printer i 200710,11, forskere har til formål at skabe en enkel og billig platform til at drive hurtig ekspansion i 3D-print teknologi og applikationer. Senere i 2011 havde RepRap-projektet til formål at skabe en glødefribaseret 3D-printplatform designet med dele fremstillet af 3D-udskrivning med det formål at skabe en selvkopierende maskine12. Omkostningerne ved 3D-printere har været faldende i årenes løb, fra $ 2300 USD for en Fab@Home (2006), $ 573 USD for en RepRap v1 (2005), og $ 400 USD for v2 (2011).
I tidligere arbejde, viste vi, hvordan en off-the-self 3D print system kunne kombineres med en brugerdefineret reservoir-baseret ekstrudering system til at skabe komplekse 3D-objekter fra chokolade13. Yderligere designundersøgelse har vist, at der kan opnås betydelige omkostningsbesparelser i forhold til dette prototypedesign.
Formålet med denne protokol er at give instruktioner til opførelse af en billig reservoir-baseret smelte ekstrudering 3D-printer. Præsenteret her er detaljerede diagrammer, tegninger, filer og komponent lister for at tillade en vellykket konstruktion og drift af en 3D-printer. Alle komponenter er hostet på open source (creative commons ikke-kommercielle) platform https://www.thingiverse.com/Addme/collections, som giver brugerne mulighed for at ændre eller tilføje yderligere funktioner som ønsket. Viscous creme, chokolade og pluronic F-127 (en model for bioinks) bruges til at evaluere ydeevnen af ADDME og demonstrere anvendelsen af ADDME 3D-printeren til biomedicinske og fødevareudskrivning industrier.
En laserskærer, der kan skære akryl og en stationær 3D-printer, der kan udskrive PLA eller ABS-filamenter, er nødvendige for denne protokol. En bearbejdet varmejakke og varmelegemepatron eller silikonevarmer kan bruges til at opvarme materialet, afhængigt af hvilket udstyr operatøren har adgang til. Alle CAD-filer kan findes på https://www.thingiverse.com/Addme/designs. Til firmware og software til styring af 3D-printer, http://marlinfw.org/meta/download/ og https://www.repetier.com/ leveres ressourcer, henholdsvis. Du kan finde detaljerede instruktioner om kontrolkortet under https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
FORSIGTIG: Der er risiko for forbrændinger forårsaget af varmt loddejern og varmepatroner. Varmepatronen må aldrig tændes, når den ikke er sikret inde i varmejakken. Der er også risiko for klemning eller flænger fra den bevægelige 3D-printerakse.
1. Oversigt og forberedelse
BEMÆRK: Figur 1A viser en computergenereret gengivelse af printeren, og figur 1B er et billede af den færdige printer.
- Indkøb alle dele fra materialetabellen.
- Se https://www.thingiverse.com/Addme/designs for alle akryl dele, der skal laser snit. Sørg for, at der anvendes 6 mm akryl, ellers passer rammen ikke sammen. Laser skærere bruge en høj energi laser til at skære materiale; en professionel butik foretrækkes her.
- Se https://www.thingiverse.com/Addme/designs for alle 3D-printede dele. Det er vigtigt, at de udskrivningsparametre, der er angivet for hver del, bruges. Bemærk, at 3D-printere har varme overflader og bevægelige dele, så brug hjælp fra en professionel.
- Fremstille varmejakke del, som findes på https://www.thingiverse.com/Addme/designs. Hvis der ikke er adgang til produktionsmuligheder, kan der købes et silikonevarmer (Materialetabel) hos den tilhørende 3D-printeholder, der findes på https://www.thingiverse.com/Addme/designs.
Figur 1: Additiv fremstilling smelte ekstrudering (ADDME) 3D printer. (A) Computergenereret gengivelse af printeren. (B) Fotografi af en færdig printer. Klik her for at se en større version af denne figur.
2. Rammesamling
BEMÆRK: De dele, der er vist i figur 2, skal færdiggøre rammesamlingen. Rammen af smelteekstrudering 3D-printeren holdes sammen af en kombination af 6 mm laserskåret akryl og M3 bolte og møtrikker (Figur 3). Bunden af printeren styrkes yderligere med en M10-gevindstang og nøddekombination.
- Saml akryl dele 1-9 og læg dem sammen i konfigurationen vist i figur 3A. Kontroller figuretiketterne for at sikre, at hvert stykke er placeret korrekt. Fastgør med M3 skruer og møtrikker i konfigurationen vist i figur 3C ved hjælp af M3 Allen-tasten.
- Placer M10 gevind stang gennem formålet lavet huller i akryl medlemmer 6, 8 og 10. Fastgør dem med M10 skiver og nødder som vist i figur 3B,D. Stram med den variable skruenøgle.
Figur 2: Komponenter, der er nødvendige for at samle rammen. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3: Rammesamling. (A) Samlet ramme. (B) En eksploderet visning med mærkede akryldele og understøttende M10-gevindstænger. (C) En eksploderet visning, der viser, hvordan hver akryl del er forbundet til hinanden, ved hjælp af M3 skruer og nødder til at holde rammen sammen. (D) En eksploderet opfattelse, der viser, hvordan gevindstangen holder akryl dele 6, 8 og 9 sammen med M10 nødder og skiver. Klik her for at se en større version af denne figur.
3. Y-akse og tryksengunderenhed
BEMÆRK: De dele, der er skitseret i figur 4, skal færdiggøre y-aksen og tryksengens undersamling. Alle skruer er set i figur 4, og værktøjer er opført i materialetabellen.
- Ved hjælp af delene i figur 4skal du samle undermonteringshovedet i tryksengen i henhold til figur 5C.
- Skub to pudeblokke (19) på hver 8 mm aksel (21) i henhold til figur 5C. Skub endestoppet (3DP 4) på en af de 8 mm aksler (21) og fastgør den mekaniske endestop (14) ved hjælp af M2 skruer og en Allen-nøgle i henhold til figur 5E.
- Fastgør alle fire pudeblokke (19) til monteringssengen (akryldel 12) ved hjælp af M4-skruerog Allen-tasten (Figur 5C). Fastgør bælteklemmen (3DP 3) på monteringssengen (akryldel 12) ved hjælp af M3-skruerne og Allen-tasten (Figur 5C). Fastgør tryksengen (akryldel 11) på monteringssengen (12) (figur 5C) ved hjælp af M3-skruen, møtrikken og fjederarrangementet i henhold til figur 5F.
- Fastgør de resterende dele fra figur 4 til rammen i henhold til figur 5D,G.
- Fastgør to af akselholdere (3DP 2) til både bagpanelet (akryldel 6) og frontpanelet (akryldel 10) ved hjælp af M2-skruerne og Allen-tasten i henhold til figur 5D,G.
- Fastgør steppermotorholderen (12) til bagpanelet (akryldel 6) ved hjælp af M3-skruerne og Allen-tasten (Figur 5D). Fastgør steppermotoren (11) til steppermotorholderen (12) ved hjælp af M3-skruerne og Allen-tasten (Figur 5D). Fastgør selen idler (3DP 1) til frontpanelet (akryl del 10) ved hjælp af M3 skruer og Allen nøgle (Figur 5G).
- Læg tryksengens undersamling i rammen ved at matche hver ende af en 8 mm aksel (21) til en akselholder (3DP 2) i henhold til figur 5A,D,G.
BEMÆRK: Det kan være nødvendigt at løsne M12 skiver på frontpanelet (akryl del 10) for at skabe plads til at placere tryksengen sub-samling i rammen. - Endelig, for at fuldføre y-akse og trykseng sub-enhed, skrue idler til bæltet idler (3DP 1) ved hjælp af en M3 skrue, derefter fastgør idler tandede til stepper motor ved at stramme M2 grub skrue på tomgangten tandede med M2 Allen nøglen. Skub selen (17) rundt om tomgang (17) og tomgang tandede (17) og ind i bælteklemmen (3DP 3) for at skabe spændinger i bæltet. Affør sektionen ved at stramme seleklemmen (3DP 3) med M3 Allen-tasten.
Figur 4: Komponenter, der er nødvendige for at sammensætte y-aksen og tryksengens undersamling. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 5: Additiv fremstilling smelte ekstrudering (ADDME) 3D printer. (A) Grafisk gengivelse af rammen, y-aksen og sengen. B) Grafisk gengivelse af y-aksen og sengen. (C) Eksploderede visning af sengen sub-enhed. (D) Mærket visning, der viser, hvordan y-aksen opretter forbindelse til bagpanelet. (E) Zoomed-in betragtning af den mekaniske endestop. (F) Eksploderede visning af trykpladen fjedernudjævningssystem. (G) Mærket visning, der viser, hvordan y-aksen opretter forbindelse til frontpanelet. (H) Sidevisning grafisk gengivelse af y-akse og seng. Klik her for at se en større version af denne figur.
4. Delsamling med X-akse
BEMÆRK: De dele, der er skitseret i figur 6, skal færdiggøre undersamlingen x-akse. Alle skruer er set i figur 6, og værktøjer er opført i materialetabellen.
- Ved hjælp af delene i figur 6skal du samle venstre side af undersamlingen x-akse i henhold til figur 7C.
- Anbring brystmøtrikken (18) inde i møtrikken (3DP 5) og fastgør på den x-aksepude, der er tilbage (3DP 8) ved hjælp af M3-skruerne og Allen-tasten (figur 7C).
- Fastgør pudeblokken (19) på den x-aksepude, der er tilbage (3DP 8) ved hjælp af M4-skruerne og Allen-tasten (figur 7C). Fastgør x-aksen tomgang 1 (3DP 9) til den x-akse pude venstre (3DP 8) ved hjælp af M3 skruer og Allen nøgle (Figur 7C).
- Juster inaktive (17), x-akset inaktiver 1 (3DP 9) og x-akset Idler 2 (3DP 10). Fastgør ved hjælp af M3 skruer og Allen-tasten (Figur 7C). Ved hjælp af de dele , der er vist i figur 6, samles højre side af delsamlingen x-akse i henhold til figur 7D.
- Anbring brystmøtrikken (18) inde i møtrikken (3DP 5) og fastgør på x-aksepuden til højre (3DP 6) ved hjælp af M3-skruerne og Allen-tasten (Figur 7D).
- Fastgør pudeblokken (19) på x-aksens pude til højre (3DP 6) ved hjælp af M4-skruerne og Allen-tasten(figur 7D). Fastgør x-aksen til højre (3DP 7) til x-aksepuden til højre (3DP 6) ved hjælp af M3-skruerne og Allen-tasten (Figur 7D). Fastgør steppermotoren (11) til x-aksen til højre (3DP 7) ved hjælp af M3-skruerne og Allen-tasten (Figur 7D).
- Tråd hver af de gevindstænger (18) i hver af messingmøtrikkerne (18) i henhold til figur 7B. Skub to af de 8 mm aksler (20) ind i hver af pudeblokkene (19) lodret og to af de 8 mm aksler (20) vandret i henhold til figur 7B,C,D.
- Fastgør de resterende dele fra figur 6 til rammen i henhold til figur 7E,F.
- Fastgør to af akselholdere (3DP 2) til både toppanelet (akryldel 2) og elektronikkabinettop (akryldel 5) ved hjælp af M2-skruerne og Allen-tasten (Figur 7E,F). Fastgør pudebloklejerne (15) på toppanelet (akryldel 2) ved hjælp af M3-skruerne og Allen-tasten (Figur 7E). Fastgør steppermotorer (11) på elektronikkabinettoppen (akryldel 5) ved hjælp af M3-skruerne og Allen-tasten (Figur 7F).
BEMÆRK: Koblingen (16) er en komponent, der er designet til at forbinde to forskellige akselstørrelser. - Fastgør koblingen (16) over akslerne på steppermotorer (11) ved at stramme den nederste grub skrue med M2 Allen nøglen(Figur 7F).
- Fastgør to af akselholdere (3DP 2) til både toppanelet (akryldel 2) og elektronikkabinettop (akryldel 5) ved hjælp af M2-skruerne og Allen-tasten (Figur 7E,F). Fastgør pudebloklejerne (15) på toppanelet (akryldel 2) ved hjælp af M3-skruerne og Allen-tasten (Figur 7E). Fastgør steppermotorer (11) på elektronikkabinettoppen (akryldel 5) ved hjælp af M3-skruerne og Allen-tasten (Figur 7F).
- Placer x-aksesubsamlingen i rammen ved at justere de lodrette 8 mm aksler med akselholderen (3DP 2) og stram ved hjælp af M2-skruerne og Allen-tasten (figur 7E,F). Fastgør gevindstangen (18) ind i den anden ende af koblingen (16) ved at stramme den øverste grub-skrue med M2 Allen-tasten (Figur 7E,F).
BEMÆRK: Det øverste panel (akryl del 2) skal muligvis fjernes midlertidigt, så den x-aksesubsamling kan passe ind i rammen.
Figur 6: Komponenter, der er nødvendige for at sammensætte delsamlingen x-akse. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 7: X-akse sub assembly. a) Grafisk gengivelse af rammen og x-aksen. b) Grafisk gengivelse af x-aksen. c) Eksploderet visning af venstre side af undersamlingen. d) Eksploderet visning af højre side af undersamlingen. (e) Mærket visning, der viser, hvordan x-aksen opretter forbindelse til det øverste panel. f) Mærket visning, der viser, hvordan x-aksen tilsluttes elektronikkabinettet. Klik her for at se en større version af denne figur.
5. Extrusion sub-samling
BEMÆRK: Ekstruderingsundersamlingen anvender et dobbelt steppermotordesign for at sikre, at der opnås en høj grad af nøjagtighed gennem afbalancering af kræfter på hver side af stemplet. De dele, der er skitseret i figur 8, skal færdiggøre ekstruderingsundersamlingen.
- Saml alle dele vist i figur 8, og ekstruderingshovedet samles i henhold til figur 9.
BEMÆRK: Figur 9B er et eksploderet billede af ekstruderundersamlingen, der viser, hvordan hver komponent passer sammen. Følgende trin forklarer, hvordan dette gøres. Alle skruer er set i figur 8, og værktøjer er opført i materialetabellen.- Fastgør de to pudeblokke (19) på ekstruderbagpladen (3DP 14) ved hjælp af M4-skruerne og Allen-tasten (figur 9B). Fastgør ekstruderbælteklemmen (3DP 13) på ekstruderbagpladen (3DP 14) mellem pudernes blokke (19) ved hjælp af M3-skruerne og Allen-tasten (figur 9B).
- Fastgør ekstruderens bagplade (3DP 14) til ekstrudermotorholderen (3DP 15) ved hjælp af M3-hex-skruerne og Allen-tasten(figur 9B). Fastgør de to steppermotorer (11) fast på ekstrudermotorholderen (3DP 15) ved hjælp af M3-hex-skruerne og Allen-tasten(figur 9B).
BEMÆRK: Koblingen (16) er en komponent, der er designet til at forbinde to forskellige akselstørrelser. - Fastgør koblingerne (16) over akslerne på steppermotorer (11) ved at stramme den nederste grub skrue med en M2 Allen nøgle (Figur 9B). Fastgør gevindskruen (18) inden for koblingerne (16) ved at stramme den øverste grub-skrue (Figur 9B).
- Varmjakken eller silikonevarmeren skubbes ind i ekstrudermotorholderen (3DP 15) i henhold til figur 9B. Fastgør messingmøtrikkerne (18) inde i stemplet sluse 1 (3DP 11) ved hjælp af M3 skruer og Allen-tasten.
- Monter ekstruderingshovedet på x-aksen i henhold til figur 9A.
- Skub de 8 mm aksler, der findes på x-aksen, ind i pudeblokkene (19) på ekstruderhovedet i henhold til figur 9A.
- Pak drivbæltet (17) gennem tomgangsledningen (17) og tomgangsten (17), der er placeret på venstre og højre x-akseforsamlinger, og fastgør drivbæltet (17) i ekstruderbælteklemmen (3DP 13) ved hjælp af M3 hex-skruerne og Allen-tasten (figur 9C).
Figur 8: Komponenter, der er nødvendige for at samle ekstruderen. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 9: Ekstruderundersamling. A) Grafisk gengivelse af ekstrudersubsamlingen. (B) Udfoldet visning, der viser ekstruderkomponenter. Klik her for at se en større version af denne figur.
6. Elektronik og ledninger
- Monter Arduino i akryl del 7 (elektronik ligklæde, vist i figur 10A) med M3 hex skruer ved hjælp af en M3 Allen nøgle. Sæt et rampebræt oven på Arduino-brættet orienteret som vist i figur 10A,B med USB-stikket vendt mod akryldel 6 (bagpanel).
- Monter DC strømforsyningen stikket i akryl del 6 (bagpanel, som vist i figur 10A) og stik til strømforsyningen i figur 10B. Tilslut motorstyringerne, steppermotorer, endestop, varmeapparatet og termoelementet til de respektive stifter (Figur 10B).
Figur 10: Elektronik. (A) Grafisk gengivelse af elektronikkontrolbrættets monteringssted. (B) Tilslutningsdiagram over elektriske komponenter og motorer til 3D-printbræt [Jos Hummelink (grabcab.com) leverede Arduino- og Ramps CAD-filerne]. (c) Billede af den færdige ledninger. Ledninger kan ses fører fra Ramps bord, derefter til ekstrudering hovedet og x / y akse motorer. Klik her for at se en større version af denne figur.
7. Software, kontrol og kalibrering
BEMÆRK: Du kan finde flere oplysninger om instruktioner og fejlfinding under https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4.
- Hent firmware fra http://marlinfw.org/meta/download/.
- Installeretier https://www.repetier.com/.
- Erstat filen .configuration i den firmware, der blev fundet i https://www.thingiverse.com/Addme/designs.
- Angiv buad-hastigheden i repetier til 112500 ved at navigere (i repetier) for at konfigurere | Printerindstillinger | Tilslutning | Baud-sats: 115200.
- Klik på ikonet Opret forbindelse i gentagelse.
- Når printeren er tilsluttet, opnås fuld kontrol over printeren. Gå til Manuel styring for at flytte tryksengen og prøve at indstille temperaturen.
FORSIGTIG: Sørg for, at sprøjtens eller husets komponenters maksimale temperatur ikke overskrides (se diskussionen for at få flere oplysninger). Mens steppermotorer har begrænset effekt, udgør aksens bevægelse en mekanisk fare.
BEMÆRK: På nuværende tidspunkt er der en fuldt fungerende printer. I det følgende afsnit (afsnit 8) beskrives fremgangsmåden for at gøre printeren klar til 3D-udskrivning.
8. Forberedelse til 3D-udskrivning
- Læg en 2 ml sprøjte med det ønskede materiale, såsom tyktflydende fløde, chokolade eller pluronic (Figur 11A).
- For at placere sprøjten i ekstruderingshovedet skal du starte med at sætte sprøjten i stempellås 1 (3DP 11, figur 11B). Dernæst skal sprøjten sættes i varmejakken, mens du forsigtigt drejede de gevindskruer (figur 11C).
- Valgfrit: Hvis sengen ikke er blevet jævnet med jorden, er det nødvendigt at jævne den. Flyt trykhovedet til venstre og højre derefter op og ned, og kontroller, om afstanden mellem sengen og sprøjtedysen er ensartet. Skub et stykke papir mellem sprøjten og sengen og mærk friktionen (figur 11E), og brug derefter M3 Allen-tasten (Figur 11D) til at justere sengeniveauet, hvis det er nødvendigt.
- Valgfrit: Hvis det valgte materiale skal opvarmes, skal du gøre det nu. Gå til fanen Manuel kontrol i gentagelse, og indstil temperaturen til det ønskede niveau.
Figur 11: 3D-trykning. (A) En 2 ml sprøjte fyldt med (fra venstre mod højre) tyktflydende creme (150 ml, Nivea håndcreme), chokolade (Cadbury, almindelig mælk), og Pluronic F-127 (Sigma Aldrich). B) Stemplet indsættes i stemplets lås 1 (3DP 11). (C) Vist er en sprøjte, der indsættes i varmejakken, mens de gevindskruer er ved at fange på messingmøtrikkerne. (D) Vist er en Allen nøgle ved at blive indsat i fastholde M3 hex skrue, så niveauet skal justeres. (E) Der skubbes derefter et visitkort under sprøjten for at kontrollere afstanden mellem sengen og sprøjten. Klik her for at se en større version af denne figur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Addme's ydeevne under 3D-udskrivning blev evalueret ved hjælp af en tyktflydende creme (150 ml, Nivea håndcreme), chokolade (Cadbury, almindelig mælk) og Pluronic F-127 (Sigma Aldrich). Viskouscremen og chokoladen blev anvendt som det, og Pluronic blev opløst i en 20% wt opløsning med ultrarent vand og opbevares nedkølet ved 5 °C indtil det er nødvendigt14,15.
Linjetest indebar udskrivning af en glødetråd frem og tilbage på byggepladen i et grundlæggende mønster for at evaluere individuelle glødetrådegenskaber såsom tykkelse eller konsistens. Linjetest blev foretaget med en række bevægelseskommandoer kaldet gcode som vist i ligning 1 nedenfor. Mængden af materiale til ekstrudering kan findes ved hjælp af Ligning 2. De anvendte udskrivningsparametre findes i tabel 1, og resultaterne vises i figur 12A,B,C.
Ligning 1: Repræsentativ linje af gcode til at styre 3D-printer bevægelse, hvor: G01 fortæller printeren til at foretage en lineær bevægelse mellem den aktuelle position og den position, der er angivet af X, Y, og Z mm; E er mængden af materiale til ekstrudering (mm) under denne lineære bevægelse; og F er hastigheden (mm/min).
Ligning 2: Ekstrudering, hvor: E er gcode-værdien, der fortæller ekstruderens steppermotor, hvor langt ned for at skubbe sprøjten; og D er den afstand, som trykhovedet bevæger sig under gkodens linje.
For at oprette komplekse 3D-objekter kan vi ikke manuelt indtaste hver kodelinje, som blev udført til linjetest. Hvis du vil oprette komplekse 3D-objekter, skal det objekt, der skal udskrives, indtastes i en standardtessellationssprogfil (.stl) i gentagelse og "udsnit" i 3D-printbar gkode. Det er afgørende, at i udsnitskonfigurationslederen er glødetrådens diameter indstillet til størrelsen af den indvendige tøndediameter, og dysen er indstillet til størrelsen af sprøjtens indre diameter. Den fulde liste over udskrivningsparametre vises i tabel 1, og resultaterne vises i figur 12D,E,F.
| Parametre | Test af linje | 3D-objekt | ||||
| Viscous Creme | Chokolade | Bioink (Bioink) | Viscous Creme | Chokolade | Bioink (Bioink) | |
| Sprøjte indvendig diameter (mm) | 0.33 | 0.84 | 0.33 | 0.33 | 0.84 | 0.33 |
| Tønde indvendig diameter (mm) | 9.35 | 9.35 | 9.35 | 9.35 | 9.35 | 9.35 |
| Temperatur (°C) | Værelse Temp | 53 | Værelse Temp | Værelse Temp | 53 | Værelse Temp |
| Hastighed (mm/min) | 500 | 500 | 500 | 500 | 500 | 500 |
| Ekstrudering (skalar) | 100% | 200% | 150% | 100% | 200% | 150% |
| Sprøjte til pladeafstand (mm) | ~0,3 | ~1 | ~0,5 | ~0,3 | ~1 | ~0,5 |
Tabel 1: Udskrivningsparametre, der bruges under alle prøvninger.
Figur 12: ADDME 3D-udskrivningsresultater. (A) Linjetest med tyktflydende creme. (B) Linjetest med chokolade. (C) Linjetest med pluronic F-127. (D) Specialfremstillet objekt 3D-printet med tyktflydende creme. (E) Specialfremstillet objekt 3D-printet med chokolade. (F) Specialfremstillet objekt 3D-printet med pluronic F-127. Klik her for at se en større version af denne figur.
For at bestemme ADDME-printerens dimensionelle nøjagtighed i x-, Y- og Z-anvisningerne ved udskrivning af et halvfast materiale blev der trykt en terning på 1 cm x 1 cm, 3D-scannet og dimensionelt sammenlignet med de oprindelige KUbe-CAD-data. En tyktflydende creme blev brugt til at udskrive en 1 cm x 1 cm x 1 cm terning ved hjælp af en dysediameter på 0,33 mm (Birmingham Gauge needle 23), laghøjde på 0,33 mm og fyld på 15%. Denne terning blev derefter scannet ved hjælp af en metrologi bedømt 3D-scanner (Artec Spider) i stand til en nøjagtighed på op til 0,05 mm. De resulterende data blev sammenlignet ved hjælp af Cloud Compare (Open Source Project), 3D-punkts skyredigering og behandlingssoftware.
Figur 13: 3D-scanningsammenligning. (A) Den 1 cm x 1 cm x 1 cm terning, der er lavet til en CAD-model. B) 3D-scanningen af den udskrevne terning (indsat). (C) Den oprindelige model og 3D-scanning blev derefter sammenlignet ved hjælp af cloud-sammenligning. Et histogramme af afstande fra noder i 3D-modellen og scannet terning præsenteres. C2M-afstandene repræsenterer de fysiske forskelle mellem punkter i begge modeller. Begge modeller er inden for en tolerance på -0,15 mm og 0,15 mm. Klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Denne protokol indeholder detaljerede instruktioner til konstruktion af en billig smelteekstruderingsbaseret 3D-printer. Konstruktion af 3D-printeren kan opdeles i undersektioner, herunder ramme, y-akse/seng, x-akse, ekstruder, elektronik og software. Disse underafsnit præsenteres med detaljerede diagrammer, tegninger, filer og reservedelslister. Den samlede pris på en ADDME 3D-printer kommer til $ 343 AUD ($ 245 USD fra 01/17/2019), hvilket gør dette til den billigste, reservoir-baserede smelte ekstrudering 3D printer i øjeblikket kendt. Det havde til formål at gøre denne enhed enkel at fremstille ved hjælp af laser-cut, 3D-printet, og off-the-shelf komponenter. Funktionen af denne enhed er blevet påvist ved linjetest og 3D-udskrivning af organisk formede objekter. Anvendelsen af ADDME på forskellige anvendelser såsom biomedicinske og fødevareindustrien er blevet påvist ved hjælp af tyktflydende fløde, chokolade og pluronic F-127 (som model for bioinks).
3D-printdele til brug ved opførelsen af ADDME kan være komplicerede på grund af vanskeligheder som følge af kvalitetsforskellene mellem hvert 3D-printobjekt. Vridning, faldende eller udvidelse af 3D-printdele vides at være påvirket af udskrivningsparametre og miljømæssige faktorer. Brugen af polylaktsyre (PLA) bør reducere fejl, der opstår som følge af svind, ekspansion eller vridning; Men miljøfaktorer såsom fugtighed kan stadig give problemer. For at minimere eventuelle problemer skal det sikres, at 1) udskrivningsparametrene svarer til dem, der er angivet på https://www.thingiverse.com/Addme/designs,2) PLA-glødetråden er ny (ikke påvirket af fugtighed), og 3) der ikke er luftstrøm over 3D-printeren (øget luftstrøm kan forårsage vridning). Alle 3D-printede dele, der anvendes til konstruktion af ADDME, er specielt designet til at være nemme at udskrive og kræver ikke yderligere støttemateriale til overhængende geometri.
Også inkluderet er to metoder til at opvarme sprøjten holder trykningsmaterialet. Den første mulighed er en bearbejdet varmejakke med en varmepatron, og den anden er en silikonevarmemåtte. Den bearbejdede varmejakke giver ensartet opvarmning til hele sprøjten og anbefales at være lavet af aluminium for høj varmeledningsevne. Det kan være svært for personer uden ordentlig ekspertise eller adgang til faciliteter til at skaffe en varmejakke. I dette tilfælde kan en silikonevarmer vikles rundt om sprøjten for at give tilstrækkelig opvarmning til materialet. I begge tilfælde er varmekomponenten forbundet med de samme stifter på elektronikbrættet og styres på samme måde.
Den maksimale temperatur, der kan påføres sprøjten, er begrænset af sprøjtematerialet og 3D-printede materialer omkring sprøjten. Hvis der anvendes en generisk PLA, er den maksimale temperatur, der kan påføres sprøjten, ~60 °C. Dog kan speciale høj temperatur PLA bruges til at opnå en maksimal temperatur på ~ 110 °C. Sprøjten selv er lavet af en polypropylen (PP) tønde og høj densitet polyethylen (HDPE) stemplet. Sprøjten i denne protokol angiver ikke en maksimal driftstemperatur, men den er sikker på op til ca. 110 °C på grund af jakkematerialerne. Det skal bemærkes, at sprøjter, der ikke er opført i materialetabellen, kan være fremstillet af materialer med et lavere smeltepunkt.
Resultaterne i figur 12 viser, at dette 3D-printsystem fungerer via linjetest og objektudskrivning. Når linjetest anvendes forskellige udskrivningsparametre med tyktflydende creme, chokolade og pluronic F-127 (tabel 1) for at opnå forskellige resultater. Den lille dysestørrelse, der bruges sammen med håndcreme (figur 12A),resulterer i en tyndere linje, mens den nederste sprøjte til pladeafstand resulterer i skarpere hjørner. For chokolade var det vanskeligt at få en ensartet strøm af chokolade(figur 12B),selv med flowet sat til 200%. I figur 12D,E,Fer det klart, at chokoladen og pluronic F-127 udviser dårligere formbevarende egenskaber end tyktflydende creme, da keglens højde reduceres. Hver af de trykparametre, der er anført i tabel 1, har en betydelig indvirkning på den endelige geometri af den producerede glødetråd, herunder sprøjtediameter, sprøjte-til-plade afstand, temperatur, hastighed og ekstrudering.
3D-skysammenligningen af CAD-modellen og 3D-scannet 1 cm x 1 cm terning i figur 13 viser, at ADDME-printeren kan udskrive med en tolerance mellem -0,15 mm og +0,15 mm. Der er en større varians i den positive sektion sammenlignet med de negative afstande. Dette sker normalt i grundlagene i de 3D-udskrevne dele, hvor lagene programmeres til at udskrive mere tykt. som sådan forekommer der overekstrudering, og nålespidsen trækker yderligere udskriftsmateriale over delen, som vist i figur 13B. Yderligere geometrisk nøjagtighed kan opnås ved hjælp af finere justering af printerparametre såsom indledende laghøjde og hastighed, ekstruderingsstrømningshastighed og sikring af, at byggepladen er niveau. Disse resultater viser, at ADDME-printeren er i stand til at opnå en grad af udskriftsnøjagtighed, der kræves til udskrivning af halvfaste materialer såsom tyktflydende fløde, chokolade eller pluronic F-127.
Den vellykkede udformning og konstruktion af ADDME 3D-printeren er blevet verificeret af tryklinjer og objekter fremstillet af forskellige materialer og udskrivningsparametre. Det påvises, at der er en anvendelse af denne printer i biofabrikation og fødevareindustrien. ADDME-printeren er forbedret i forhold til tidligere generationer af printere med basisniveau, reservoirbaserede, smelteekstruderingsprintere ved at reducere omkostningerne, minimere antallet af komponenter og bruge de nyeste elektroniske komponenter og softwarekomponenter/-fremgangsmåder. Projektets open source-karakter viser, at andre brugere i fremtiden kan foretage ændringer eller ændringer for bestemte programmer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Denne forskning modtog ingen specifikke tilskud fra finansieringsorganer i den offentlige, kommercielle eller almennyttige sektor. Særlig tak til Florian Schmittner, Sandro Gorka, Gurinder Singh, Vincent Tran og Dominik Vu for deres bidrag på en tidligere prototype af designet.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- 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).
- Gilchrist, A. Introducing Industry 4.0. Industry 4.0. , 195-215 (2016).
- 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).
- Wong, K., Hernandez, A. A Review of Additive Manufacturing. ISRN Mechanical Engineering. 10, (2012).
- 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).
- 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).
- Stansbury, J. W., Idacavage, M. J. 3D printing with polymers: Challenges among expanding options and opportunities. Dental Materials. 32 (1), 54-64 (2016).
- 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).
- 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).
- Malone, E., Lipson, H. Fab@Home: the personal desktop fabricator kit Article information. Rapid Prototyping Journal. 13 (4), 245-255 (2007).
- Vilbrandt, T., Malone, E., Lipson, H., Pasko, A. Universal Desktop Fabrication. Heterogeneous Objects Modelling and Applications. , 259-284 (2008).
- Jones, R., et al. RepRap-the replicating rapid prototyper. Robotica. 29, 177-191 (2011).
- Lanaro, M., et al. 3D printing complex chocolate objects: Platform design, optimization and evaluation. Journal of Food Engineering. , (2017).
- Wu, W., DeConinck, A., Lewis, J. A. Omnidirectional Printing of 3D Microvascular Networks. Advanced Materials. 23 (24), H178-H183 (2011).
- 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).
