Summary
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。
Abstract
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。
Introduction
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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Protocol
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。
- すべての部品を材料表から調達する。
- すべてのアクリル部品がレーザーカットされるhttps://www.thingiverse.com/Addme/designsを参照してください。6 mmアクリルを使用するか、フレームが一緒に収まらないことを保証します。レーザーカッターは、材料を切断するために高エネルギーレーザーを使用します。ここではプロの店が好まれます。
- 3D プリント部品の詳細については、「https://www.thingiverse.com/Addme/designs」を参照してください。各部品で指定された印刷パラメータを使用することが重要です。3D プリンタには、ホット面と可動部品があるので、プロの助けを借りるようにしてください。
- https://www.thingiverse.com/Addme/designsで見つかる暖房ジャケットの部品を製造する。製造能力へのアクセスが利用できない場合は、https://www.thingiverse.com/Addme/designsで見つかった関連付けられた3Dプリントホルダーでシリコーンヒーター(材料のテーブル)を購入することができます。
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。
- アクリル部品1~9を集め、図3Aに示す構成にまとめて配置します。図のラベルを確認して、各部分が正しく配置されていることを確認します。M3 アレンキーを使用して、図 3 Cに示す構成で M3 ネジとナットを使用して固定します。
- アクリル部材6、8、および10に穴を開けた目的を通してM10ネジロッドを配置します。図 3B,Dに示すように、M10 ワッシャーとナットで固定します。可変スパナで締めます。
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の部品を使用して、図5Cに従って印刷ベッドのサブアセンブリヘッドを組み立てます。
- 図5Cに従って、2つのピローブロック(19)を各8mmシャフト(21)上にスライドさせます。エンドストップ(3DP 4)を8mmシャフト(21)の1つにスライドさせ、M2ネジとアレンキーを使用してメカニカルエンドストップ(14)を固定します(図5Eに従って)。
- M4ネジとアレンキー(図5C)を使用して、4つの枕ブロック(19)をすべて取り付けベッド(アクリル部12)に固定します。M3ネジとアレンキー(図5C)を使用して、ベルトクランプ(3DP 3)を取り付けベッド(アクリル部12)に固定します。M3スクリュー、ナット、およびスプリングの配置を使用して、印刷ベッド(アクリル部11)を取り付けベッド(12)(図5C)に固定します。
- 図5D,Gに従って、残りの部分を図 4からフレームに固定します。
- M2ネジとアレンキーを使用して、背面パネル(アクリル部6)とフロントパネル(アクリル部10)の両方にシャフトホルダ(3DP 2)をそれぞれ固定します。.
- M3ネジとアレンキー(図5D)を使用して、ステッパーモータホルダー(12)を背面パネル(アクリル部品6)に固定します。M3ネジとアレンキー(図5D)を使用してステッパーモータ(11)をステッパーモータホルダー(12)に固定します。M3ネジとアレンキー(図5G)を使用して、ベルトアイドラー(3DP 1)を前面パネル(アクリル部品10)に固定します。
- 図 5A,D,Gに従って、8 mm シャフト (21) の両端をシャフト ホルダー (3DP 2) に合わせて、印刷ベッドのサブアセンブリをフレームに配置します。
メモ:フレームにプリントベッドのサブアセンブリを配置するためのスペースを作成するために、フロントパネル(アクリル部分10)のM12ワッシャーを緩める必要があるかもしれません。 - 最後に、Y軸と印刷ベッドのサブアセンブリを完了するには、M3ネジを使用してアイドラーをベルトアイドラー(3DP 1)にねじ込み、M2アレンキーで歯付きアイドラーのM2グラブネジを締めてステッパーモーターに歯を固定します。ベルト(17)をアイドラー(17)とアイドラー歯(17)の周りにスライドさせ、ベルトクランプ(3DP 3)に入れ、ベルトに張力を生み出します。M3アレンキーでベルトクランプ(3DP 3)を締めてセクションを完成させます。
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の部品を使用して、図 7Cに従って X 軸サブアセンブリの左側を組み立てます。
- 真鍮ナット(18)をナットホルダー(3DP 5)の内側に置き、M3ネジとアレンキーを使用して、左側のX軸枕(3DP 8)に固定します(図7C)。
- M4ネジとアレンキー(図7C)を使用して、枕ブロック(19)を左側のX軸枕(3DP 8)に固定します。M3ネジとアレンキー(図7C)を使用して、X軸アイドラー1(3DP 9)を左側のx軸枕(3DP 8)に固定します。
- アイドラー(17)、x軸アイドラー1(3DP 9)、およびx軸アイドラー2(3DP 10)の中央の穴を揃えます。M3ネジとアレンキー(図7C)を使用して固定します。図 6に示すパーツを使用して、図 7Dに従って X 軸サブアセンブリの右側を組み立てます。
- 真鍮ナット(18)をナットホルダー(3DP 5)の内側に置き、M3ネジとアレンキーを使用してX軸枕右(3DP 6)に固定します(図7D)。
- M4ネジとアレンキー(図7D)を使用して、枕ブロック(19)をX軸枕の右側(3DP 6)に固定します。M3ネジとアレンキー(図7D)を使用して、X軸右(3DP 7)をX軸枕右(3DP 6)に固定します。M3ネジとアレンキー(図7D)を使用して、ステッパーモータ(11)をX軸右(3DP 7)に固定します。
- 図 7Bに従って、各ねじ棒 (18) を各真鍮ナット (18) にねじ込みます。図7B、C、Dに従って、8mmシャフト(20)の2本を各々の枕ブロック(19)に垂直にスライドさせ、2つの8mmシャフト(20)を水平にスライドさせます。
- 図7E,Fに従って、残りの部分を図 6からフレームに固定します。
- M2ネジとアレンキー(図7E,F)を使用して、2つのシャフトホルダー(3DP 2)を上部パネル(アクリル部分2)と電子エンクロージャトップ(アクリル部品5)の両方に固定します。M3ネジとアレンキー(図7E)を使用して、ピローブロックベアリング(15)を上部パネル(アクリル部品2)に固定します。M3ネジとアレンキー(図7F)を使用して、ステッパーモーター(11)を電子機器エンクロージャの上部(アクリル部品5)に固定します。
注記:カプラー(16)は、2つの異なる軸サイズを接続するように設計されたコンポーネントです。 - M2アレンキーで下グラブねじを締めて、ステッパーモータ(11)のシャフトの上にカプラー(16)を固定します(図7F)。
- M2ネジとアレンキー(図7E,F)を使用して、2つのシャフトホルダー(3DP 2)を上部パネル(アクリル部分2)と電子エンクロージャトップ(アクリル部品5)の両方に固定します。M3ネジとアレンキー(図7E)を使用して、ピローブロックベアリング(15)を上部パネル(アクリル部品2)に固定します。M3ネジとアレンキー(図7F)を使用して、ステッパーモーター(11)を電子機器エンクロージャの上部(アクリル部品5)に固定します。
- 垂直の8mm軸をシャフトホルダー(3DP 2)に合わせてX軸サブアセンブリをフレームに配置し、M2ネジとアレンキー(図7E,F)を使用して締めます。M2アレンキーで上部グラブネジを締めて、ネジロッド(18)をカプラー(16)の反対側に固定します(図7E,F)。
注: X 軸サブアセンブリがフレームに収まるように、上部パネル(アクリル部分 2)を一時的に取り外す必要があります。
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に示すすべてのパーツを集め、図 9に従って押し出しヘッドを組み立てます。
注:図 9Bは、各コンポーネントがどのように適合するかを示す押出機サブアセンブリの分解図です。次の手順では、この方法について説明します。すべてのねじは図 8に示され、工具は「材料表」にリストされています。- M4ネジとアレンキー(図9B)を使用して、2つの枕ブロック(19)を押出機バックプレート(3DP 14)に固定します。M3ネジとアレンキーを使用して、押出機ベルトクランプ(3DP 13)を外付け機バックプレート(3DP 14)の間の枕ブロック(19)の間に固定します(図9B)。
- 押出機バックプレート(3DP 14)を、M3六倍ねじとアレンキーを使用して押出機モーターホルダー(3DP 15)に固定します(図9B)。M3六倍ねじとアレンキーを使用して、2つのステッパーモーター(11)を押出器モーターホルダー(3DP 15)に固定します(図9B)。
注記:カプラー(16)は、2つの異なる軸サイズを接続するように設計されたコンポーネントです。 - M2アレンキーで下グラブねじを締めて、ステッパーモータ(11)のシャフトの上にカプラー(16)を固定します(図9B)。上部のグラブねじを締めて、カプラー(16)内のねじねじ(18)を固定します(図9B)。
- 図9Bに従って、加熱ジャケットまたはシリコーンヒーターを押出機モーターホルダ(3DP 15)にスライドさせる。M3ネジとアレンキーを使用して、真鍮ナット(18)の内側のプランジャーロック1(3DP 11)を固定します。
- 図 9Aに従って押し出しヘッドを x 軸に取り付けます。
- 図 9Aに従って、x 軸にある 8 mm のシャフトを押出ヘッドのピロー ブロック (19) にスライドさせます。
- ドライブベルト(17)を左右X軸アセンブリ上にあるアイドラー(17)とアイドラー歯付き(17)を通して巻き付け、M3六角ネジとアレンキーを使用して押出機ベルトクランプ(3DP 13)にドライブベルト(17)を固定します(図9C)。
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
- Arduinoをアクリル部7(図10Aに示す電子回路)にM3アレンキーを使用してM3六重ねじを取り付けます。図 10A,B に示すように、図 10A,Bに示すように、ランプ ボードをアクリルに向けて(背面パネル)、ランプ ボードを挿入します。
- DC 電源モジュール ジャックをアクリルパート 6 (図 10Aに示すように背面パネル) に取り付け、図 10Bの電源装置にコネクタを取り付けます。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(図10B)。
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。
- http://marlinfw.org/meta/download/からファームウェアをダウンロードします。
- https://www.repetier.com/をインストールする。
- https://www.thingiverse.com/Addme/designsにあるファームウェアのファイル .configurationを置き換えます。
- 設定する (レペティエで) ナビゲートして、112500 に buad レートを設定する|プリンタの設定 |接続 |ボーレート: 115200.
- [接続]アイコンをクリックします。
- 接続すると、プリンタのフルコントロールが実現されます。[手動制御]に移動してプリントベッドを移動し、温度を設定してみてください。
注意: シリンジまたはハウジングコンポーネントの最高温度が超過していないことを確認してください(詳細については、説明を参照してください)。ステッパーモーターの動力は限られていますが、軸の動きは機械的な危険を示します。
メモ:この段階では、完全に動作しているプリンタがあります。次のセクション(セクション8)では、プリンタを3D印刷に備える手順について説明します。
8. 3Dプリントの準備
- 粘性クリーム、チョコレート、またはプルロニックなどの目的の材料を2 mLの注射器を積み込みます(図11A)。
- 押し出しヘッドにシリンジを入れるには、まず、サイリングドアロック1(3DP 11、図11B)に注射器を挿入します。次に、ねじを慎重に回しながら、シリンジを加熱ジャケットに差し込みます(図11C)。
- オプション:ベッドが平準化されていない場合は、それを平準化する必要があります。印刷ヘッドを左右に上下に動かし、ベッドとシリンジノズルの間の距離が一定であることを確認します。シリンジとベッドの間に紙をスライドさせて摩擦を感じ(図11E)、M3アレンキー(図11D)を使用して必要に応じてベッドのレベルを調整します。
- オプション: 選択した材料を加熱する必要がある場合は、ここで行います。Repetier の[手動制御] タブに移動し、温度を目的のレベルに設定します。
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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Representative Results
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、結果は図12A、B、Cに示されています。
式1:3Dプリンタの動きを制御するためのgcodeの代表的な行、ここで:G01は、現在の位置とX、Y、Z mmで指定された位置との間で直線的な移動を行うようにプリンタに指示します。E は、この直線移動中に押し出す材料の量 (mm) です。F は速度(mm/分)です。
式 2: 押し出し、 E は押出機のステッパー モーターがシリンジを押し込むまでの距離を示す gcode 値です。D は、gcode の行の間に印刷ヘッドが移動する距離です。
複雑な 3D オブジェクトを作成するために、行テストのために行われたコードの各行を手動で入力することはできません。複雑な 3D オブジェクトを作成するには、印刷するオブジェクトを標準テッセレーション言語 (.stl) ファイルに入力して、3D 印刷可能な gcode に「スライス」する必要があります。スライサー構成マネージャーでは、フィラメント径が内バレル径のサイズに設定され、ノズルがシリンジ内径のサイズに設定されているのが重要です。印刷パラメータの完全なリストは、表 1に示され、結果は図 12D,E,Fに示されています。
| パラメーター | ラインテスト | 3D オブジェクト | ||||
| ビスカスクリーム | チョコレート | バイオインク | ビスカスクリーム | チョコレート | バイオインク | |
| シリンジ内径 (mm) | 0.33 | 0.84 | 0.33 | 0.33 | 0.84 | 0.33 |
| バレル内径 (mm) | 9.35 | 9.35 | 9.35 | 9.35 | 9.35 | 9.35 |
| 温度(°C) | 部屋の温度 | 53 | 部屋の温度 | 部屋の温度 | 53 | 部屋の温度 |
| 速度(mm/分) | 500 | 500 | 500 | 500 | 500 | 500 |
| 押出 (スカラー) | 100% | 200% | 150% | 100% | 200% | 150% |
| シリンジからプレートまでの距離 (mm) | ~0.3 | ~1 | ~0.5 | ~0.3 | ~1 | ~0.5 |
表1:すべてのテストで使用されるパラメータを印刷する。
図 12: ADDME 3D 印刷結果(A)粘性クリームによるラインテスト。(B) チョコレートによるラインテスト。(C) Pluronic F-127によるラインテスト。(D) 粘性のあるクリームで3Dプリントされたカスタムメイドのオブジェクト。(E) チョコレートで3Dプリントされたカスタムメイドのオブジェクト。(F) カスタムメイドのオブジェクト 3D プリント 3、Pluronic F-127.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。
半固体材料を印刷する際に、X、Y、Z 方向の ADDME プリンタの寸法精度を確認するために、1 cm x 1 cm x 1 cm のキューブを印刷し、3D-スキャンし、元のキューブ CAD データと比較して寸法比較を行いました。粘性クリームを使用して、ノズル径0.33mm(バーミンガムゲージ針23)、層高0.33mm、インフィル15%を使用して、1cm×1cm×1cmの立方体を印刷しました。このキューブは、最大0.05 mmの精度が可能な計測評価3Dスキャナ(Artec Spider)を使用してスキャンされました。結果として得られたデータは、クラウド比較(オープンソースプロジェクト)、3D点群編集、処理ソフトウェアを使用して比較された。
図 13: 3D スキャン比較(A) CADモデルに作られた1cm x 1 cm x 1cmの立方体。(B) 印刷された立方体の 3D スキャン (差し込み)。(C) クラウド比較を使用して、元のモデルと 3D スキャンを比較しました。3D モデルとスキャンした立方体のノードからの距離のヒストグラムが表示されます。C2M 距離は、両方のモデルのポイント間の物理的な違いを表します。両方のモデルは-0.15 mm と +0.15 mm の許容範囲内です。
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Discussion
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ります。3D プリント部品のワーピング、縮小、拡張は、印刷パラメータや環境要因の影響を受ける可能性があります。ポリ乳酸(PLA)の使用は、収縮、膨張、または歪みから生じる誤差を大幅に減らす必要があります。しかし、湿度などの環境要因は依然として問題を引き起こす可能性があります。潜在的な問題を最小限に抑えるために、1)印刷パラメータがhttps://www.thingiverse.com/Addme/designsに指定されているものと一致することを確認し、2)PLAフィラメントが新しい(湿度の影響を受けない)、3)3Dプリンタ上の空気流がない(エアフローの増加がワープを引き起こす可能性があります)。ADDMEの構築に使用されるすべての3Dプリント部品は、特に印刷しやすいように設計されており、張り出したジオメトリに追加のサポート材料を必要としません。
また、印刷材料を保持するシリンジを加熱する2つの方法も含まれています。最初のオプションは、加熱カートリッジを備えた機械加工加熱ジャケットであり、2番目はシリコーン加熱マットです。機械加工された加熱ジャケットは、シリンジ全体に均一な加熱を提供し、高熱伝導率のためにアルミニウムから作ることをお勧めします。適切な専門知識や施設へのアクセスを持たない個人が暖房ジャケットを調達することは困難な場合があります。この場合、シリコーンヒーターをシリジンヒーターをシリンジの周りに巻き付け、材料に十分な加熱を提供することができる。どちらの場合も、加熱部品は電子基板上の同じピンに接続され、同じように制御されます。
シリンジに適用できる最高温度は、シリンジを取り囲むシリンジ材料と3Dプリント素材によって制限されます。一般的なPLAを使用する場合、シリンジに適用できる最高温度は〜60°Cです。ただし、特殊な高温PLAを使用して、最大温度は約110°Cです。シリンジ自体はポリプロピレン(PP)バレルおよび高密度ポリエチレン(HDPE)プランジャーからなされる。このプロトコルで指定されたシリンジは、最高動作温度を規定していませんが、ジャケット材により約110°Cまで安全です。材料表に記載されていない注射器は、より低い融点を有する材料から作ることができることに留意すべきである。
図 12の結果は、ライン テストとオブジェクト印刷を通じて、この 3D 印刷システムの動作を示しています。ラインテストでは、粘性クリーム、チョコレート、プルロニックF-127(表1)と異なる印刷パラメータを使用して、異なる結果を達成します。ハンドクリーム(図12A)で使用されるノズルサイズが小さい場合、ラインが薄くなり、下のシリンジからプレートまでの距離はコーナーがシャープになります。チョコレートの場合、フローが200%に設定されていても、チョコレートの一貫した流れ(図12B)を得ることは困難でした。図12D、E、Fにおいて、チョコレートおよびプルロニックF-127は、コーンの高さが低下するにつれて粘性クリームよりも悪い形状保持特性を示していることは明らかである。 表1に示す各印刷パラメータは、シリンジ径、シリンジ間距離、温度、速度、押出など、生成されるフィラメントの最終的な形状に大きな影響を与えます。
図 13の CAD モデルとスキャンした 1 cm x 1 cm x 1 cm の 3D クラウド比較では、ADDME プリンタが -0.15 mm ~ +0.15 mm の許容範囲で印刷できることを示しています。負の距離と比較すると、正のセクションに大きな分散があります。これは、3D プリント部品のベース レイヤーで発生する傾向があり、レイヤーはより厚く印刷するようにプログラムされています。このように、押し出しが行われ、図 13Bに示すように、ニードルチップがパーツ上に追加のプリント素材をドラッグします。初期層の高さや速度、押出流量、ビルドプレートのレベルを確保するなど、プリンタパラメータの微調整により、ジオメトリの精度を向上できます。これらの結果は、ADDMEプリンタが粘性クリーム、チョコレート、またはPluronic F-127などの半固体材料を印刷するために必要な印刷精度のレベルを達成できることを示しています。
ADDME 3Dプリンタの設計と構築が成功したことは、異なる材料と印刷パラメータから作られたラインとオブジェクトを印刷することによって検証されています。このプリンタは、バイオファブリケーションおよび食品産業に応用されているのが実証されています。ADDMEプリンタは、コストを削減し、コンポーネントの数を最小限に抑え、最新の電子およびソフトウェアコンポーネント/プラクティスを使用することで、エントリーレベル、リザーバーベース、メルト押出しプリンタの前世代で改善されました。このプロジェクトのオープンソースの性質は、将来、他のユーザーが特定のアプリケーションに対して変更や変更を行うことができることを示しています。
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Disclosures
著者たちは開示するものは何もない。
Acknowledgments
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。
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
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