Summary
Het doel van dit werk is het ontwerpen en bouwen van een reservoir gebaseerde smeltextrusie driedimensionale printer gemaakt van open-source en low-cost componenten voor toepassingen in de biomedische en food printing industrie.
Abstract
Driedimensionaal (3D) printen is een steeds populairder wordende productietechniek waarmee zeer complexe objecten kunnen worden vervaardigd zonder retoolingkosten. Deze toenemende populariteit wordt deels gedreven door dalende toetredingsdrempels zoals systeemopstelkosten en bedieningsgemak. Het volgende protocol presenteert het ontwerp en de constructie van een Additive Manufacturing Melt Extrusie (ADDME) 3D printer voor de fabricage van aangepaste onderdelen en componenten. ADDME is ontworpen met een combinatie van 3D-geprinte, lasergesneden en online geproduceerde componenten. Het protocol is gerangschikt in gemakkelijk te volgen secties, met gedetailleerde diagrammen en onderdelen lijsten onder de koppen van framing, y-as en bed, x-as, extrusie, elektronica en software. De prestaties van ADDME worden geëvalueerd door extrusietesten en 3D-printen van complexe objecten met viskeuze crème, chocolade en Pluronische F-127 (een model voor bioinks). De resultaten geven aan dat ADDME een geschikt platform is voor de fabricage van materialen en constructies voor gebruik in een breed scala van industrieën. De combinatie van gedetailleerde diagrammen en video-inhoud vergemakkelijkt de toegang tot goedkope, eenvoudig te bedienen apparatuur voor personen die geïnteresseerd zijn in 3D-printen van complexe objecten uit een breed scala aan materialen.
Introduction
Additive manufacturing is een krachtige productietechnologie die het potentieel heeft om aanzienlijke waarde te bieden aan het industriële landschap1,2. De aantrekkelijke kenmerken van additieve productie omvatten geen gereedschapskosten, hoge niveaus van aanpassing, complexe geometrieën en verminderde belemmeringen voor toegangskosten. Geen retooling kosten zorgen voor de snelle productie van prototypes, die wenselijk is bij het proberen om "time-to-market" te verminderen, dat is een kritisch doel van industrieën in ontwikkelde landen proberen concurrerend te blijven tegen lage lonen concurrenten1. Hoge niveaus van maatwerk zorgen voor een breed scala van producten worden vervaardigd met complexe geometrieën. Wanneer deze factoren worden gecombineerd met de lage kosten voor de opzet, materialen en de specialisatie van de operator, is er een duidelijke waarde van additieve productietechnologieën3.
Additive manufacturing, ook wel 3D-printen genoemd, omvat laag-voor-laag fabricage van een object in een computer numeriek gestuurd (CNC) systeem3. In tegenstelling tot traditionele CNC-processen zoals frezen, waarbij materiaal laag voor laag uit een plaat of blok materiaal wordt verwijderd, voegt een 3D-printsysteem materiaal laag voor laag toe aan de gewenste structuur.
3D-printen kan worden vergemakkelijkt door middel van een reeks methoden, waaronder laser, flitser, extrusie, of jetting technologieën4. De gebruikte specifieke technologie bepaalt de vorm van de grondstof (d.w.z. poeder of smelt), evenals de rheologische en thermische eigenschappen die nodig zijn voor de verwerkingvan 5. De op extrusie gebaseerde 3D-printmarkt wordt gedomineerd door filamentgebaseerde systemen, wat te wijten is aan filamenten die gemakkelijk te hanteren, te verwerken zijn en continu grote hoeveelheden materiaal aan de extrusiekop te leveren. Dit proces wordt echter beperkt door het type materiaal dat kan worden gevormd tot filamenten (voornamelijk thermoplasten). De meeste materialen bestaan niet in filamentvorm, en het gebrek aan moderne goedkope platforms in de markt vormt een opmerkelijke kloof.
Dit protocol toont de constructie van een uitreservoirgebaseerd extrusiesysteem waarmee materialen in een spuit kunnen worden opgeslagen en geëxtrudeerd door een naald. Dit systeem is bij uitstek geschikt voor de productie van een breed scala aan materialen, waaronder voedingsmiddelen6,polymeren7, en biomaterialen8,9. Bovendien zijn extrusietechnieken op basis van reservoirs doorgaans minder gevaarlijk, goedkoper en gemakkelijker te bedienen dan andere 3D-printmethoden.
Er is een groeiend aantal door de universiteit geleide teams die open-source 3D-printsystemen ontwerpen en vrijgeven aan het publiek. Beginnend met de Fab@Home op extrusie gebaseerde printer in 200710,11, streefden de onderzoekers ernaar om een eenvoudig en goedkoop platform te creëren om snelle uitbreiding in 3D druktechnologie en toepassingen te drijven. Later in 2011, de RepRap project gericht op een filament-based 3D-printplatform ontworpen met onderdelen gemaakt door 3D-printen te creëren, met als doel om een zelfreplicerende machine te creëren12. De kosten van 3D-printers is gedaald door de jaren heen, van $ 2300 USD voor een Fab@Home (2006), $ 573 USD voor een RepRap v1 (2005), en $ 400 USD voor v2 (2011).
In vorig werk hebben we aangetoond hoe een off-the-self 3D-printsysteem kan worden gecombineerd met een op een aangepast uitreservoir gebaseerd extrusiesysteem om complexe 3D-objecten uit chocolade te maken13. Verder ontwerponderzoek heeft aangetoond dat aanzienlijke kostenbesparingen kunnen worden gerealiseerd in vergelijking met dit prototypeontwerp.
Het doel van dit protocol is om instructies te geven voor de bouw van een low-cost reservoir-gebaseerde smelt extrusie 3D-printer. Hier gepresenteerd zijn gedetailleerde diagrammen, tekeningen, bestanden en componentlijsten om de bouw en werking van een 3D-printer met succes mogelijk te maken. Alle componenten worden gehost op het open-source (creative commons noncommercial) platform https://www.thingiverse.com/Addme/collections, waarmee gebruikers naar wens extra functies kunnen wijzigen of toevoegen. Viskeuze crème, chocolade en Pluronic F-127 (een model voor bioinks) worden gebruikt om de prestaties van ADDME te evalueren en de toepassing van de ADDME 3D-printer aan te tonen op de biomedische en voedselprintindustrie.
Voor dit protocol is een lasersnijder nodig die acryl kan snijden en een desktop 3D-printer die PLA- of ABS-filamenten kan afdrukken. Een bewerkte verwarmingsjas en verwarmingspatroon of siliconenkachel kan worden gebruikt om het materiaal te verwarmen, afhankelijk van tot welke apparatuur de bediener toegang heeft. Alle CAD-bestanden zijn te vinden op https://www.thingiverse.com/Addme/designs. Voor firmware en software om de 3D-printer te bedienen, http://marlinfw.org/meta/download/ en https://www.repetier.com/ worden verstrekt middelen, respectievelijk. Zie https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4voor gedetailleerde instructies over het bedieningsbord.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
LET OP: Er bestaat een risico op brandwonden veroorzaakt door hete soldeerstrijkijzers en verwarmingspatronen. De verwarmingspatroon mag nooit worden aangedreven wanneer deze niet in het verwarmingsjack is bevestigd. Er bestaat ook een risico op knijpen of snijwonden van de bewegende 3D-printeras.
1. Overzicht en voorbereiding
OPMERKING: Figuur 1A toont een door de computer gegenereerde weergave van de printer en figuur 1B is een foto van de voltooide printer.
- Verkrijg alle onderdelen uit de Materiaaltafel.
- Zie https://www.thingiverse.com/Addme/designs voor alle acryl onderdelen te laser snijden. Zorg ervoor dat 6 mm acryl wordt gebruikt of dat het frame niet in elkaar past. Lasersnijders gebruiken een krachtige laser om materiaal te snijden; een professionele winkel heeft hier de voorkeur.
- Zie https://www.thingiverse.com/Addme/designs voor alle 3D-geprinte onderdelen. Het is belangrijk dat de afdrukparameters die voor elk onderdeel zijn opgegeven, worden gebruikt. Houd er rekening mee dat 3D-printers warme oppervlakken en bewegende delen hebben, dus gebruik de hulp van een professional.
- Maak de verwarming jas deel, dat is te vinden op https://www.thingiverse.com/Addme/designs. Als er geen toegang is tot productiemogelijkheden, kan een siliconenkachel(Tafel van Materialen)worden gekocht met de bijbehorende 3D-geprinte houder die aan https://www.thingiverse.com/Addme/designs.
Figuur 1: Additieve productie smelt extrusie (ADDME) 3D-printer. (A) Door de computer gegenereerde weergave van de printer. (B) Foto van een afgewerkte printer. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
2. Framemontage
OPMERKING: De onderdelen in figuur 2 zijn vereist om de frameassemblage af te maken. Het frame van de smeltextrusie 3D-printer wordt bij elkaar gehouden door een combinatie van 6 mm lasergesneden acryl en M3 bouten en moeren(figuur 3). De onderkant van de printer wordt verder versterkt met een M10 schroefdraad staaf en moer combinatie.
- Verzamel acryldelen 1–9 en plaats ze samen in de configuratie in figuur 3A. Controleer de figuurlabels om ervoor te zorgen dat elk stuk correct is geplaatst. Veilig met M3 schroeven en moeren in de configuratie weergegeven in figuur 3C met behulp van de M3 Allen-toets.
- Plaats de M10 schroefdraad staaf door het doel gemaakt gaten in acryl leden 6, 8 en 10. Beveilig ze met M10 ringen en noten zoals afgebeeld in figuur 3B,D. Draai aan met de variabele sleutel.
Figuur 2: Componenten die nodig zijn om het frame te monteren. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 3: Framemontage. (A) Geassembleerd frame. (B) Een geëxplodeerde weergave met gelabelde acryl onderdelen en ondersteuning M10 schroefdraad staven. (C) Een geëxplodeerde weergave die laat zien hoe elk acryldeel met elkaar is verbonden, met behulp van M3-schroeven en moeren om het frame bij elkaar te houden. (D) Een geëxplodeerde weergave die laat zien hoe de schroefdraadstaaf acryldelen 6, 8 en 9 samen met M10-noten en ringen houdt. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
3. Y-as en printbed subassemblage
OPMERKING: De in figuur 4 beschreven onderdelen zijn nodig om de y-as af te maken en het onderassemblage van het bed af te drukken. Alle schroeven zijn te zien in figuur 4, en gereedschappen zijn opgenomen in de Tabel met materialen.
- Met behulp van de onderdelen van figuur 4, monteer de subassemblagekop van het drukbed volgens figuur 5C.
- Schuif twee kussenblokken (19) op elke 8 mm schacht (21) volgens figuur 5C. Schuif de eindstop (3DP 4) op een van de 8 mm assen (21) en bevestig de mechanische eindstop (14) met M2-schroeven en een Allen-toets overeenkomstig figuur 5E.
- Zet alle vier de kussenblokken (19) vast op het montagebed (acryldeel 12) met behulp van de M4-schroeven en Allen-toets(figuur 5C). Zet de riemklem (3DP 3) op het montagebed (acryldeel 12) met behulp van de M3-schroeven en allen-toets(figuur 5C). Zet het printbed (acryldeel 11) op het montagebed (12) (figuur 5C)met behulp van de M3-schroef, moer en veeropstelling volgens figuur 5F.
- Zet de resterende delen van figuur 4 vast op het frame volgens figuur 5D,G.
- Zet twee van de ashouders (3DP 2) vast aan zowel het achterpaneel (acryldeel 6) als het voorpaneel (acryldeel 10) met behulp van respectievelijk de M2-schroeven en allensleutel volgens figuur 5D,G.
- Zet de stepper motorhouder (12) op het achterpaneel (acryl deel 6) met behulp van de M3 schroeven en Allen-toets(figuur 5D). Zet de steppermotor (11) vast op de steppermotorhouder (12) met behulp van de M3-schroeven en allen-toets (figuur 5D). Bevestig de gordelstationair (3DP 1) aan het voorpaneel (acryl deel 10) met behulp van de M3-schroeven en allen-toets(figuur 5G).
- Plaats het printbed subassemblage in het frame door elk uiteinde van een 8 mm as (21) af te passen op een ashouder (3DP 2) overeenkomstig figuur 5A,D,G.
OPMERKING: Het kan nodig zijn om de M12 ringen op het voorpaneel los te maken (acryl deel 10) om ruimte te creëren om het printbed subassemblage in het frame te plaatsen. - Ten slotte, om de y-as en het printen van het bed sub-assemblage te voltooien, schroef de stationair aan de riem idler (3DP 1) met behulp van een M3 schroef, zet vervolgens de stationair aan de stepper motor door het aandraaien van de M2 grub schroef op de stationair aan de zijde met de M2 Allen sleutel. Schuif de riem (17) rond de stationair (17) en idler getand (17) en in de riemklem (3DP 3) om spanning in de riem te produceren. Vul de sectie in door de riemklem (3DP 3) aan te spannen met de M3 Allen-toets.
Figuur 4: Componenten die nodig zijn om de y-as samen te stellen en het compartimenteren van het bed subassemblage. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 5: Additieve fabricagesmeltextrusie (ADDME) 3D-printer. (A) Grafische weergave van het frame, y-as en bed. (B) Grafische weergave van de y-as en het bed. (C) Explodeerde weergave van het bed sub-assemblage. (D)Gelabelde weergave die laat zien hoe de y-as verbinding maakt met het achterpaneel. (E) Ingezoomd-in het licht van de mechanische eindstop. (F) Explodeerde weergave van de printplaat veer nivellering systeem. (G)Gelabelde weergave die laat zien hoe de y-as verbinding maakt met het voorpaneel. (H) Side view grafische render van de y-as en bed. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
4. X-as subassemblage
OPMERKING: De in figuur 6 beschreven onderdelen zijn nodig om de x-as subassemblage af te ronden. Alle schroeven zijn te zien in figuur 6, en gereedschappen zijn opgenomen in de Tabel met materialen.
- Met behulp van de onderdelen in figuur 6, monteer de linkerkant van de x-as subassemblage volgens figuur 7C.
- Plaats de koperen moer (18) in de notenhouder (3DP 5) en bevestig het x-as kussen links (3DP 8) met behulp van de M3 schroeven en Allen-toets(figuur 7C).
- Zet het kussenblok (19) op het x-as kussen links (3DP 8) met behulp van de M4-schroeven en Allen-toets(figuur 7C). Zet de x-axis idler 1 (3DP 9) vast op het x-as kussen links (3DP 8) met behulp van de M3-schroeven en Allen-toets(figuur 7C).
- Lijn de middelste gaten van de stationair draaiende (17), x-as idler 1 (3DP 9) en x-axis Idler 2 (3DP 10) uit. Veilig met behulp van de M3 schroeven en Allen sleutel(figuur 7C). Met behulp van de in figuur 6vermelde onderdelen stelt u de rechterkant van de x-as subassemblage samen overeenkomstig figuur 7D.
- Plaats de koperen moer (18) in de notenhouder (3DP 5) en bevestig het x-as kussen rechts (3DP 6) met behulp van de M3 schroeven en Allen sleutel (figuur 7D).
- Zet het kussenblok (19) op het x-as kussen rechts (3DP 6) met behulp van de M4-schroeven en Allen-toets(figuur 7D). Zet de x-as rechts (3DP 7) vast op het x-as kussen rechts (3DP 6) met behulp van de M3-schroeven en Allen-toets(figuur 7D). Zet de steppermotor (11) vast op de x-as rechts (3DP 7) met behulp van de M3-schroeven en allen-toets(figuur 7D).
- Rijg elk van de schroefdraadstaven (18) in elk van de messingmoeren (18) volgens figuur 7B. Schuif twee van de 8 mm assen (20) verticaal in elk van de kussenblokken (19) en twee van de 8 mm assen (20) horizontaal volgens figuur 7B,C,D.
- Beveilig de resterende delen van figuur 6 aan het frame volgens figuur 7E,F.
- Zet twee van de ashouders (3DP 2) vast aan zowel het bovenste paneel (acryl deel 2) als de elektronicabehuizing (acryl deel 5) met behulp van de M2-schroeven en Allen-toets(figuur 7E,F). Zet de lagers van het kussenblok (15) op het bovenste paneel (acryldeel 2) met behulp van de M3-schroeven en allen-toets(figuur 7E). Zet de steppermotoren (11) op de bovenbovenkant van de elektronicabehuizing (acryl deel 5) met behulp van de M3-schroeven en allen-toets(figuur 7F).
LET OP: De koppeling (16) is een onderdeel dat is ontworpen om twee verschillende asmaten aan te sluiten. - Zet de koppeling (16) over de assen van de steppermotoren (11) door de onderste schroef met de M2 Allen-sleutel(figuur 7F)aan te draaien.
- Zet twee van de ashouders (3DP 2) vast aan zowel het bovenste paneel (acryl deel 2) als de elektronicabehuizing (acryl deel 5) met behulp van de M2-schroeven en Allen-toets(figuur 7E,F). Zet de lagers van het kussenblok (15) op het bovenste paneel (acryldeel 2) met behulp van de M3-schroeven en allen-toets(figuur 7E). Zet de steppermotoren (11) op de bovenbovenkant van de elektronicabehuizing (acryl deel 5) met behulp van de M3-schroeven en allen-toets(figuur 7F).
- Plaats de x-as sub-assemblage in het frame door de verticale 8 mm assen uit te lijnen met de ashouder (3DP 2) en draai met behulp van de M2-schroeven en Allen-toets (figuur 7E,F). Zet de schroefdraad (18) in het andere uiteinde van de koppeling (16) door de bovenste schroef met de M2 Allen-sleutel aan te draaien (figuur 7E,F).
OPMERKING: Het bovenste paneel (acryl deel 2) moet mogelijk tijdelijk worden verwijderd, zodat de x-as subassemblage in het frame past.
Figuur 6: Componenten die nodig zijn om de x-as subassemblage samen te stellen. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 7: X-as subassemblage. a) Grafische weergave van het frame en x-as. b) Grafische render van de x-as. c) Geëxplodeerde weergave van de linkerkant van de subassemblage. d) Geëxplodeerde weergave van de rechterkant van de subassemblage. (e)Gelabelde weergave die laat zien hoe de x-as verbinding maakt met het bovenste deelvenster. f) Gelabelde weergave die laat zien hoe de x-as verbinding maakt met de elektronicabehuizing. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
5. Extrusie subassemblage
OPMERKING: De extrusie subassemblage maakt gebruik van een dubbele stepper motor ontwerp om ervoor te zorgen dat een hoog niveau van nauwkeurigheid wordt bereikt door het balanceren van krachten aan elke kant van de zuiger. De in figuur 8 beschreven onderdelen zijn nodig om de extrusiesubassemblage af te ronden.
- Verzamel alle onderdelen in figuur 8 en monteer de extrusiekop volgens figuur 9.
OPMERKING: Figuur 9B is een geëxplodeerde weergave van de extruder subassemblage die laat zien hoe elk onderdeel in elkaar past. In de volgende stappen wordt uitgelegd hoe dit wordt gedaan. Alle schroeven zijn te zien in figuur 8, en gereedschappen zijn opgenomen in de Tabel met materialen.- Zet de twee kussenblokken (19) op de extruder backplate (3DP 14) met behulp van de M4-schroeven en allen-toets (figuur 9B). Zet de extruderriemklem (3DP 13) op de extruder backplate (3DP 14) tussen de kussensblokken (19) met behulp van de M3-schroeven en allentoets (figuur 9B).
- Zet de extruder backplate (3DP 14) vast aan de extruder motorhouder (3DP 15) met behulp van de M3 hex schroeven en Allen-toets (figuur 9B). Zet de twee steppermotoren (11) op de extrudermotorhouder (3DP 15) met behulp van de M3 hex schroeven en Allen-toets (figuur 9B).
LET OP: De koppeling (16) is een onderdeel dat is ontworpen om twee verschillende asmaten aan te sluiten. - Zet de koppelingen (16) over de assen van de steppermotoren (11) door de onderste schroef met een M2 Allen-sleutel(figuur 9B)aan te draaien. Zet de schroef schroef met schroef draad (18) vast in de couplers (16) door de bovenste schroef(figuur 9B)aan te draaien.
- Schuif de verwarmingsjas of siliconenkachel in de extrudermotorhouder (3DP 15) overeenkomstig figuur 9B. Zet de koperen moeren (18) in plunger lock 1 (3DP 11) met behulp van de M3 schroeven en Allen sleutel.
- Monteer de extrusiekop op de x-as volgens figuur 9A.
- Schuif de 8 mm schachten op de x-as in de kussenblokken (19) op de extruderkop volgens figuur 9A.
- Wikkel de aandrijfriem (17) door de stationair (17) en idler getande (17) aan de linker- en rechterx-assamenstelling en zet de aandrijfriem (17) in de extruderriemklem (3DP 13) met behulp van de M3 hex schroeven en Allen-toets (figuur 9C).
Figuur 8: Componenten die nodig zijn om de extruder te monteren. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 9: Extruder subassemblage. (A) Grafische weergave van de extruder subassemblage. (B) Geëxplodeerde weergave met extrudercomponenten. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
6. Elektronica en bedrading
- Monteer de Arduino in acryl deel 7 (elektronica lijkwade, weergegeven in figuur 10A) met M3 hex schroeven met behulp van een M3 Allen sleutel. Plaats een hellingplaat op de top van de Arduino bord georiënteerd zoals afgebeeld in figuur 10A,B met de USB-stekker naar voren acryl deel 6 (achterpaneel).
- Monteer de DC-voedingsaansluiting in acryldeel 6 (achterpaneel, zoals weergegeven in figuur 10A)en verbind de voeding in figuur 10B. Sluit de motorcontrollers, steppermotoren, eindstops, verwarming en thermokoppel aan op de respectievelijke pinnen (figuur 10B).
Figuur 10: Elektronica. (A) Grafische weergave van de montagelocatie van de elektronicabesturingsraad. (B) Verbindingsdiagram van elektrische componenten en motoren naar 3D-printplaat [Jos Hummelink (grabcab.com) leverde de CAD-bestanden van Arduino en Ramps op]. c) Afbeelding van de afgewerkte bedrading. Draden kunnen worden gezien die van de Hellingen boord, dan naar de extrusie kop en x / y as motoren. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
7. Software, besturing en kalibratie
OPMERKING: Zie https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4voor meer gedetailleerde instructies en informatie over het oplossen van problemen.
- Download firmware van http://marlinfw.org/meta/download/.
- Installeer repetier https://www.repetier.com/.
- Vervang het bestand .configuration in de firmware gevonden in https://www.thingiverse.com/Addme/designs.
- Buad-tarief in repetier instellen op 112500 door te navigeren (in repetier) naar Configureren | Printerinstellingen | Aansluiting | Baud-tarief: 115200.
- Klik op het pictogram Verbinden in repetier.
- Eenmaal aangesloten, wordt volledige controle over de printer bereikt. Navigeer naar Handmatige bediening om het afdrukbed te verplaatsen en probeer de temperatuur in te stellen.
LET OP: Zorg ervoor dat de maximumtemperatuur van de spuit of behuizingscomponenten niet wordt overschreden (zie de discussie voor meer informatie). Terwijl de stepper motoren hebben een beperkt vermogen, de beweging van de as vormt een mechanisch gevaar.
LET OP: In dit stadium is er een volledig werkende printer. In de volgende sectie (sectie 8) wordt de procedure beschreven om de printer klaar te maken voor 3D-printen.
8. Voorbereiding op 3D-printen
- Laad een 2 mL spuit met het gewenste materiaal, zoals viskeuze crème, chocolade, of pluronisch (Figuur 11A).
- Om de spuit in de extrusiekop te plaatsen, begint u met het inbrengen van de spuit in zuigerslot 1 (3DP 11, figuur 11B). Plaats vervolgens de spuit in het verwarmingsjack terwijl u de schroefdraad voorzichtig draait(figuur 11C).
- Optioneel: als het bed niet is genivelleerd, is het noodzakelijk om het te nivelleren. Beweeg de drukkop naar links en rechts en vervolgens op en neer en controleer of de afstand tussen het bed en het spuitmondstuk consistent is. Schuif een stuk papier tussen de spuit en het bed en voel de wrijving(figuur 11E),gebruik dan de M3 Allen-toets (figuur 11D) om het bedniveau indien nodig aan te passen.
- Optioneel: als het gekozen materiaal verwarmd moet worden, doe dit dan nu. Navigeer naar het tabblad Handmatig besturingselement in repetier en stel de temperatuur in op het gewenste niveau.
Figuur 11: 3D-printvoorbereiding. (A) Een 2 mL spuit geladen met (van links naar rechts) viskeuze crème (150 mL, Nivea handcrème), chocolade (Cadbury, gewone melk), en Pluronic F-127 (Sigma Aldrich). (B) Plunger wordt in het zuigerslot 1 (3DP 11) gestoken. (C) Getoond is een spuit wordt ingevoegd in de verwarmingsjas, terwijl de schroefdraad schroeven vangen op de messing moeren. (D) Getoond is een Allen sleutel over te worden ingevoegd in de behoud M3 hex schroef, waardoor het niveau worden aangepast. (E) Een visitekaartje wordt vervolgens onder de spuit geschoven om de afstand tussen het bed en de spuit te controleren. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De prestaties van ADDME tijdens 3D-printen werden geëvalueerd met behulp van een viskeuze crème (150 mL, Nivea handcrème), chocolade (Cadbury, gewone melk) en Pluronic F-127 (Sigma Aldrich). De viskeuze crème en chocolade werden gebruikt zoals het is, en de Pluronic werd opgelost in een 20% wt oplossing met ultrazuiver water en opgeslagen gekoeld bij 5 °C totnodig 14,15.
Lijntesten bestonden uit het heen en weer printen van een gloeidraad op de bouwplaat in een basispatroon om individuele filamenteigenschappen zoals dikte of consistentie te evalueren. Lijntests werden gemaakt met een reeks bewegingscommando's genaamd gcode zoals weergegeven in vergelijking 1 hieronder. De hoeveelheid materiaal om uit te ademen kan worden gevonden met behulp van vergelijking 2. De gebruikte afdrukparameters zijn te vinden in tabel 1en de resultaten worden weergegeven in figuur 12A, B,C.
Vergelijking 1: Representatieve regel van gcode om de beweging van 3D-printers te regelen, waarbij: G01 de printer vertelt een lineaire beweging te verrichten tussen de huidige positie en de positie die is opgegeven door X, Y en Z mm; E is de hoeveelheid materiaal die tijdens deze lineaire beweging (mm) moet extruderen; en F is de snelheid (mm/min).
Vergelijking 2: Extrusie, waar: E is de gcode waarde vertellen de extruder stepper motor hoe ver naar beneden om de spuit te duwen; en D is de afstand die de drukkop beweegt tijdens de regel van gcode.
Om complexe 3D-objecten te maken, kunnen we niet handmatig elke regel code invoeren, wat is gedaan voor lijntesten. Als u complexe 3D-objecten wilt maken, moet het te drukken object worden ingevoerd in een standaard tessellation language (.stl)-bestand in repetier en "gesneden" in 3D-afdrukbare gcode. Het is van cruciaal belang dat in de slicer configuratiemanager de diameter van de gloeidraad is ingesteld op de grootte van de binnenste vatdiameter en het mondstuk is ingesteld op de grootte van de binnendiameter van de spuit. De volledige lijst met afdrukparameters wordt weergegeven in tabel 1en de resultaten worden weergegeven in figuur 12D,E,F.
| Parameters | Lijntesten | 3D-object | ||||
| Viskeuze Crème | Chocolade | Bioink Bioink | Viskeuze Crème | Chocolade | Bioink Bioink | |
| Spuit binnendiameter (mm) | 0.33 | 0.84 | 0.33 | 0.33 | 0.84 | 0.33 |
| Loop binnenste diameter (mm) | 9.35 | 9.35 | 9.35 | 9.35 | 9.35 | 9.35 |
| Temperatuur (°C) | Kamer Temp | 53 | Kamer Temp | Kamer Temp | 53 | Kamer Temp |
| Snelheid (mm/min) | 500 | 500 | 500 | 500 | 500 | 500 |
| Extrusie (scalaire) | 100% | 200% | 150% | 100% | 200% | 150% |
| Spuit tot plaatafstand (mm) | ~0,3 | ~1 | ~0,5 | ~0,3 | ~1 | ~0,5 |
Tabel 1: Afdrukparameters die in alle tests worden gebruikt.
Figuur 12: ADDME 3D-afdrukresultaten. (A) Lijntesten met viskeuze crème. (B) Lijntesten met chocolade. (C) Lijntesten met Pluronische F-127. (D) Op maat gemaakt object 3D-geprint met viskeuze crème. (E) Op maat gemaakt object 3D-bedrukt met chocolade. (F) Op maat gemaakt object 3D-geprint met Pluronic F-127. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Om de dimensionale nauwkeurigheid van de ADDME-printer in de richtingen X, Y en Z te bepalen bij het afdrukken van een halfvast materiaal, werd een kubus van 1 cm x 1 cm gedrukt, 3D-gescand en dimensionaal vergeleken met de oorspronkelijke kubusCAD-gegevens. Een viskeuze crème werd gebruikt om een kubus van 1 cm x 1 cm x 1 cm af te drukken met een mondstukdiameter van 0,33 mm (Birmingham Gauge naald 23), laaghoogte van 0,33 mm en infill van 15%. Deze kubus werd vervolgens gescand met behulp van een metrologie beoordeeld 3D-scanner (Artec Spider) in staat om een nauwkeurigheid tot 0,05 mm. De resulterende gegevens werden vergeleken met Cloud Compare (Open Source Project), 3D-puntcloudbewerking en verwerkingssoftware.
Figuur 13: 3D-scanvergelijking. (A) De kubus van 1 cm x 1 cm en 1 cm is gemaakt in een CAD-model. (B) De 3D-scan van de geprinte kubus (inset). (C) Het originele model en 3D-scan werden vervolgens vergeleken met behulp van cloud vergelijken. Een histogram van afstanden van knooppunten in het 3D-model en gescande kubus worden gepresenteerd. De C2M afstanden vertegenwoordigen de fysieke verschillen tussen de punten in beide modellen. Beide modellen zijn binnen een tolerantie van -0,15 mm en +0,15 mm. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Dit protocol bevat gedetailleerde instructies voor het bouwen van een goedkope smeltextrusie-gebaseerde 3D-printer. De constructie van de 3D-printer kan worden opgesplitst in ondersecties, waaronder frame, y-as/bed, x-as, extruder, elektronica en software. Deze onderafdelingen worden gepresenteerd met gedetailleerde diagrammen, tekeningen, bestanden en onderdelenlijsten. De totale prijs van een ADDME 3D-printer komt op $ 343 AUD ($ 245 USD vanaf 01/17/2019), waardoor dit de goedkoopste, reservoir-gebaseerde smeltextrusie 3D-printer is die momenteel bekend is. Het was bedoeld om dit apparaat eenvoudig te vervaardigen door het gebruik van laser-cut, 3D-geprint, en off-the-shelf componenten. De werking van dit apparaat is aangetoond door lijntesten en 3D-printen van organisch gevormde objecten. De toepasbaarheid van ADDME op diverse toepassingen zoals de biomedische en voedingsindustrie is aangetoond met viskeuze crème, chocolade en Pluronische F-127 (als model voor bioinks).
3D-drukdelen voor gebruik bij de bouw van ADDME kunnen ingewikkeld zijn als gevolg van problemen die voortvloeien uit de kwaliteitsverschillen tussen elk 3D-geprint object. Het is bekend dat het kromtrekken, krimpen of uitbreiden van 3D-printonderdelen wordt beïnvloed door afdrukparameters en omgevingsfactoren. Het gebruik van polymelkzuur (PLA) moet fouten die voortvloeien uit krimp, expansie of kromtrekken aanzienlijk verminderen; omgevingsfactoren zoals vochtigheid kunnen echter nog steeds problemen veroorzaken. Om eventuele problemen tot een minimum te beperken, moet ervoor worden gezorgd dat 1) de afdrukparameters overeenkomen met die welke zijn opgegeven op https://www.thingiverse.com/Addme/designs, 2) de PLA-gloeidraad nieuw is (niet beïnvloed door vochtigheid), en 3) er geen luchtstroom over de 3D-printer is (verhoogde luchtstroom kan kromtrekken veroorzaken). Alle 3D-geprinte onderdelen die worden gebruikt bij de bouw van ADDME zijn speciaal ontworpen om eenvoudig af te drukken en vereisen geen extra ondersteuningsmateriaal voor overhangende geometrie.
Ook inbegrepen zijn twee methoden om de spuit met het drukmateriaal te verwarmen. De eerste optie is een bewerkte verwarmingsjas met een verwarmingspatroon, en de tweede is een siliconen verwarmingsmat. De bewerkte verwarmingsjas zorgt voor uniforme verwarming aan de hele spuit en wordt aanbevolen om te worden gemaakt van aluminium voor een hoge thermische geleidbaarheid. Het kan moeilijk zijn voor particulieren zonder de juiste expertise of toegang tot faciliteiten om een verwarmingsjack aan te schaffen. In dit geval kan een siliconen kachel rond de spuit worden gewikkeld om voldoende verwarming aan het materiaal te bieden. In beide gevallen is het verwarmingsonderdeel aangesloten op dezelfde pinnen op het elektronicabord en wordt het op dezelfde manier aangestuurd.
De maximale temperatuur die op de spuit kan worden toegepast, wordt beperkt door het spuitmateriaal en 3D-geprinte materialen rondom de spuit. Als een generieke PLA wordt gebruikt, dan is de maximale temperatuur die kan worden toegepast op de spuit ~ 60 °C; Echter, speciale hoge temperatuur PLA kan worden gebruikt om een maximale temperatuur van ~ 110 ° C te bereiken. De spuit zelf is gemaakt van een polypropyleenvat (PP) en polyethyleen (HDPE) zuiger met hoge dichtheid. De in dit protocol gespecificeerde spuit geeft geen maximale bedrijfstemperatuur aan, maar is wel veilig tot ongeveer 110 °C vanwege de materialen van het vest. Er zij op gewezen dat spuiten die niet in de materiaaltabel zijn opgenomen, mogen worden gemaakt van materialen met een lager smeltpunt.
De resultaten in figuur 12 tonen de werking van dit 3D-printsysteem aan door middel van lijntesten en objectafdrukken. Bij lijntesten worden verschillende drukparameters gebruikt met viskeuze crème, chocolade en Pluronische F-127 (tabel 1) om verschillende resultaten te bereiken. De kleine nozzle grootte gebruikt met handcrème (Figuur 12A) resulteert in een dunnere lijn, terwijl de onderste spuit tot plaat afstand resulteert in scherpere hoeken. Voor chocolade was het moeilijk om een consistente stroom van chocolade te krijgen (Figuur 12B), zelfs met de stroom ingesteld op 200%. In figuur 12D,E,Fis het duidelijk dat de chocolade en de Pluronische F-127 slechtere vormbehoudende eigenschappen vertonen dan de viskeuze crème omdat de hoogte van de kegel wordt verminderd. Elk van de in tabel 1 vermelde drukparameters heeft een aanzienlijke invloed op de uiteindelijke geometrie van de geproduceerde gloeidraad, inclusief spuitdiameter, spuit-tot-plaatafstand, temperatuur, snelheid en extrusie.
Uit de 3D-wolkvergelijking van het CAD-model en de 3D gescande kubus van 1 cm x 1 cm x 1 cm in figuur 13 blijkt dat de ADDME-printer kan worden afgedrukt met een tolerantie tussen -0,15 mm en +0,15 mm. Er is een grotere variantie in de positieve sectie in vergelijking met de negatieve afstanden. Dit gebeurt meestal bij de basislagen van de 3D-geprinte delen, waarbij de lagen zijn geprogrammeerd om dikker af te drukken; als zodanig treedt over-extruderen op en sleept de naaldpunt extra drukmateriaal over het onderdeel, zoals weergegeven in figuur 13B. Extra geometrische nauwkeurigheid kan worden bereikt door een fijnere afstemming van printerparameters, zoals de hoogte en snelheid van de initiële laag, de extrusiestroomsnelheid en het waarborgen dat de bouwplaat vlak is. Deze resultaten geven aan dat de ADDME-printer in staat is om een niveau van afdruknauwkeurigheid te bereiken dat nodig is voor het afdrukken van halfvaste materialen zoals viskeuze crème, chocolade of Pluronische F-127.
Het succesvolle ontwerp en de constructie van de ADDME 3D-printer is geverifieerd door druklijnen en objecten gemaakt van verschillende materialen en afdrukparameters. Het is aangetoond dat er een toepassing van deze printer in de biofabricage en voedingsindustrie. De ADDME-printer is verbeterd ten opzichte van vorige generaties van instap-, reservoirgebaseerde, smelt extrusieprinters door kosten te verlagen, het aantal componenten te minimaliseren en de nieuwste elektronische en softwarecomponenten/praktijken te gebruiken. Het open-source karakter van dit project laat zien dat andere gebruikers in de toekomst wijzigingen of wijzigingen kunnen aanbrengen voor specifieke toepassingen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit onderzoek heeft geen specifieke subsidies ontvangen van financieringsinstellingen in de sectoren openbare, commerciële of niet-winstoogmerk. Speciale dank aan Florian Schmittner, Sandro Gorka, Gurinder Singh, Vincent Tran en Dominik Vu voor hun bijdrage aan een eerder prototype van het ontwerp.
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).
