Summary
Bu çalışmanın amacı, biyomedikal ve gıda baskı sektörlerindeki uygulamalar için açık kaynak ve düşük maliyetli bileşenlerden yapılmış rezervuar bazlı erime ekstrüzyonu üç boyutlu yazıcı tasarlamak ve inşa etmektir.
Abstract
Üç boyutlu (3D) baskı, son derece karmaşık nesnelerin yeniden şekillendirme maliyeti olmadan üretilmesine olanak tanıyan giderek daha popüler bir üretim tekniğidir. Bu artan popülerlik kısmen sistem kurulum maliyetleri ve kullanım kolaylığı gibi giriş engelleri düşen tarafından tahrik edilir. Aşağıdaki protokol, özel parça ve bileşenlerin imalatı için bir Katkı İmalat Eritme Ekstrüzyon (ADDME) 3D yazıcı tasarımı ve inşaat sunar. ADDME, 3D baskılı, lazer kesimli ve çevrimiçi kaynaklı bileşenlerin bir kombinasyonuyla tasarlanmıştır. Protokol çerçeveleme, y ekseni ve yatak, x ekseni, ekstrüzyon, elektronik ve yazılım başlıkları altında ayrıntılı diyagramlar ve parça listeleri ile takip edilen kolay bölümler halinde düzenlenir. ADDME'nin performansı, viskoz krem, çikolata ve Pluronik F-127 (bioinks modeli) kullanılarak ekstrüzyon testi ve karmaşık nesnelerin 3Boyutlu baskısı ile değerlendirilir. Sonuçlar ADDME'nin çok çeşitli sektörlerde kullanılmak üzere malzeme ve yapı imalatı için yetenekli bir platform olduğunu göstermektedir. Ayrıntılı diyagramlar ve video içeriğinin birleşimi, karmaşık nesnelerin çok çeşitli malzemelerden 3D baskıyla ilgilenen kişiler için düşük maliyetli, kullanımı kolay ekipmanlara erişimi kolaylaştırır.
Introduction
Katkı üretim endüstriyel peyzaj1,2önemli bir değer sağlama potansiyeline sahip güçlü bir üretim teknolojisidir. Katkı maddesi üretiminin çekici özellikleri arasında takım lama maliyetleri, yüksek düzeyde özelleştirme, karmaşık geometriler ve giriş maliyetlerinin önündeki engeller indeğildir. Hiçbir retooling maliyetleri prototiphızlı üretim için izin, hangi düşük ücretli rakiplere karşı rekabetçi kalmaya çalışan gelişmiş ülkelerde sanayi kritik bir hedeftir "pazara zaman" azaltmak için çalışırken arzu edilir1. Yüksek düzeyde özelleştirilebilirlik, çok çeşitli ürünlerin karmaşık geometrilerle üretilmesini sağlar. Bu faktörler kurulum, malzeme ve operatör uzmanlık için düşük maliyetler ile birleştirildiğinde, katkı üretim teknolojileri3net bir değerdir.
3D baskı olarak da adlandırılan katkı maddesi üretimi, bir bilgisayarsayısal kontrollü (CNC) sisteminde bir nesnenin katman katman üretilmesini içerir3. Malzemenin bir levha veya malzeme bloğundan çıkarıldığı frezeleme gibi geleneksel CNC işlemlerinin aksine, 3B yazdırma sistemi istenen yapıya katman katman katman malzeme ekler.
Lazer, flaş, ekstrüzyon veya jetting teknolojileri4gibi çeşitli yöntemlerle 3D baskı kolaylaşabilir. Kullanılan özel teknoloji hammadde nin biçimini (yani, toz veya erime) yanı sıra5işleme için gerekli reolojik ve termal özellikleri belirler. Ekstrüzyon tabanlı 3D baskı pazarı, filamentlerin kullanımı, işlenmesi ve ekstrüzyon başına sürekli olarak büyük hacimlerde malzeme sağlaması nedeniyle filament tabanlı sistemler tarafından yönetilmektedir. Ancak bu süreç filamentler (özellikle termoplastikler) halinde oluşturulabilecek malzeme türü ile sınırlıdır. Çoğu malzeme filament şeklinde mevcut değildir ve piyasada modern düşük maliyetli platformların eksikliği önemli bir boşluğu temsil eder.
Bu protokol, malzemelerin bir şırıngada depolanıp iğneyle ekstrüzyon yapmasına izin veren rezervuar tabanlı ekstrüzyon sisteminin yapımını göstermektedir. Bu sistem ideal gıdalar6,polimerler7ve biyomalzemeler8,9dahil olmak üzere malzemelerin geniş bir yelpazede üretmek için uygundur. Ayrıca, rezervuar tabanlı ekstrüzyon teknikleri genellikle daha az tehlikeli, maliyet daha düşük ve diğer 3D baskı yöntemleridaha kullanımı daha kolaydır.
Açık kaynak kodlu 3D baskı sistemleri tasarlayan ve halka salan üniversite liderliğindeki ekiplerin sayısı giderek artmaktadır. 2007 yılında Fab@Home ekstrüzyon tabanlı yazıcı ile başlayan10,11, araştırmacılar 3D baskı teknolojisi ve uygulamalarında hızlı genişleme sürücü için basit ve ucuz bir platform oluşturmayı amaçladın. Daha sonra 2011 yılında, RepRap proje bir filament tabanlı 3D baskı platformu 3D baskı tarafından yapılan parçalar ile tasarlanmış oluşturmayı amaçlayan, kendi kendini çoğaltma makinesi oluşturmak amacıyla12. 3D yazıcıların maliyeti yıllar içinde, bir Fab@Home için 2300 USD'den (2006), RepRap v1 için $573 USD'den (2005) ve v2 (2011) için $400 USD'den düşüyor.
Önceki çalışmada, nasıl bir off-the-self 3D baskı sistemi özel bir rezervuar tabanlı ekstrüzyon sistemi ile çikolata13karmaşık 3D nesneler oluşturmak için kombine edilebilir gösterdi. Daha fazla tasarım araştırması, bu prototip tasarımına kıyasla önemli ölçüde maliyet tasarrufu sağlanabileceğini göstermiştir.
Bu protokolün amacı, düşük maliyetli rezervuar bazlı erime ekstrüzyon 3D yazıcının inşası için talimatlar sağlamaktır. Burada sunulan ayrıntılı diyagramlar, çizimler, dosyalar ve bileşen listeleri başarıyla bir 3D yazıcı nın yapımı ve çalışmasına izin vermek için. Tüm bileşenler, kullanıcıların istedikleri gibi ek özellikler değiştirmelerine veya eklemelerine olanak tanıyan açık kaynak (creative commons ticari olmayan) platform https://www.thingiverse.com/Addme/collectionsbarındırılır. Viskoz krem, çikolata ve Pluronic F-127 (bioinks için bir model) ADDME performansını değerlendirmek ve biyomedikal ve gıda baskı endüstrilerine ADDME 3D yazıcı uygulamasını göstermek için kullanılır.
Bu protokol için akrilik kesim yapabilen bir lazer kesici ve PLA veya ABS filamentleri baskı yapabilen bir masaüstü 3D yazıcı gereklidir. İşlenmiş ısıtma ceketi ve ısıtıcı kartuşuna veya silikon ısıtıcı, operatörün hangi ekipmana erişebildiğine bağlı olarak malzemeyi ısıtmak için kullanılabilir. Tüm CAD dosyaları https://www.thingiverse.com/Addme/designsbulunabilir. Firmware ve yazılım 3D yazıcı, http://marlinfw.org/meta/download/ ve https://www.repetier.com/ sırasıyla kaynakları kontrol etmek için sağlanır. Kontrol panosu hakkında ayrıntılı talimatlar için https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
DİkKAT: Sıcak lehim leme ütüleri ve ısıtma kartuşlarının neden olduğu yanıklar riski vardır. Isıtma kartuşu, ısıtma ceketinin içine sabitlendiğinde asla çalıştırılmamalıdır. Hareket eden 3D yazıcı ekseninden çimdikleme veya yırtılma riski de vardır.
1. Genel bakış ve hazırlık
NOT: Şekil 1A yazıcının bilgisayar tarafından oluşturulan bir şekilde görüntülemi gösterir ve Şekil 1B bitmiş yazıcının bir fotoğrafıdır.
- Malzemeler Tablosundan tüm parçaları temin edin.
- Tüm akrilik parçaların lazer kesim olması için https://www.thingiverse.com/Addme/designs bakın. 6 mm akrilik kullanıldığından veya çerçevenin birbirine uymamasını sağlamak. Lazer kesiciler malzeme kesmek için yüksek enerjili lazer kullanın; burada profesyonel bir mağaza tercih edilmektedir.
- Tüm 3D baskılı parçalar için https://www.thingiverse.com/Addme/designs bakın. Her parçada belirtilen yazdırma parametrelerinin kullanılması önemlidir. 3B yazıcıların sıcak yüzeylere ve hareketli parçalara sahip olduğunu unutmayın, bu nedenle bir profesyonelin yardımıyla kullanın.
- https://www.thingiverse.com/Addme/designsbulunan ısıtma ceketi parçası, imalatı . Üretim yeteneklerine uygun bir erişim yoksa, silikon ısıtıcı(Malzeme Tablosu) https://www.thingiverse.com/Addme/designsbulunan ilişkili 3D baskılı tutucu ile satın alınabilir.
Şekil 1: Katkı maddesi üretim eritme ekstrüzyon (ADDME) 3D yazıcı. (A) Yazıcının bilgisayar tarafından oluşturulan işlemesi. (B) Bitmiş bir yazıcının fotoğrafı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
2. Çerçeve montajı
NOT: Şekil 2'de gösterilen parçaların çerçeve montajını tamamlaması gerekmektedir. Erime ekstrüzyon 3D yazıcının çerçevesi 6 mm lazer kesim akrilik ve M3 cıvata ve somunkombinasyonu ile bir arada tutulur(Şekil 3). Yazıcının alt kısmı M10 dişli çubuk ve somun kombinasyonu ile daha da güçlendirilir.
- 1-9 arası akrilik parçaları toplayın ve Şekil 3A'dagösterilen yapılandırmada bir araya getirin. Her parçanın doğru bulunduğundan emin olmak için şekil etiketlerini kontrol edin. M3Allen tuşu kullanılarak Şekil 3C'de gösterilen konfigürasyonda M3 vida ve somunlarla emniyete alınmıştır.
- M10 dişli çubuğu, akrilik üyeler 6, 8 ve 10'da yapılan amaca göre yerleştirin. Şekil 3B,D'degösterildiği gibi M10 yıkama ve somunlarla sabitleyin. Değişken anahtarla sıkın.
Şekil 2: Çerçeveyi birleştirmek için gereken bileşenler. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Çerçeve montajı. (A) Monte edilmiş çerçeve. (B) Etiketli akrilik parçalar ve m10 dişli çubuklar destekleyen bir patlama görünümü. (C) Çerçeveyi bir arada tutmak için M3 vidaları ve somunları kullanarak her akrilik parçanın birbirine nasıl bağladığını gösteren patlamış bir görünüm. (D) Dişli çubuğun M10 somunları ve yıkamalarla birlikte 6, 8 ve 9'un akrilik parçalarını nasıl tuttuğunu gösteren patlamış bir görünüm. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
3. Y ekseni ve baskı yatağı alt montajı
NOT: Şekil 4'te özetlenen bölümlerin y eksenini ve baskı yatağı alt montajını tamamlaması gerekmektedir. Tüm vidalar Şekil 4'tegörülür ve aletler Malzeme Tablosundalistelenmiştir.
- Şekil 4'tekiparçaları kullanarak, baskı yatağı alt montaj başlığını Şekil 5C'yegöre monte edin.
- Şekil 5C'yegöre her 8 mm şaftın üzerine (21) iki yastık bloğu (19) kaydırın. Son durağı (3DP 4) 8 mm'lik şaftlardan (21) birine kaydırın ve Şekil 5E'yegöre M2 vidaları ve Allen tuşu kullanarak mekanik son durağı (14) sabittutun.
- M4 vidaları ve Allen tuşu(Şekil 5C)kullanarak dört yastık bloğunu (19) montaj yatağına (akrilik bölüm 12) sabittutun. Kemer kelepçesini (3DP 3) M3 vidaları ve Allen tuşu(Şekil 5C)kullanarak montaj yatağına (akrilik bölüm 12) sabitle. Baskı yatağını (akrilik bölüm 11) Şekil 5F'yegöre M3 vida, somun ve yay düzenlemesini kullanarak montaj yatağına (12)(Şekil 5C)sabitle.
- Kalan parçaları Şekil 4'ten şekil 5D,G'yegöre çerçeveye sabitleyin.
- M2 vidaları ve Allen tuşu kullanılarak sırasıyla sırasıyla arka panele (akrilik bölüm 6) ve ön panele (akrilik bölüm 10) şaft tutucularından ikisini (3DP 2) sabitleyin.
- M3 vidaları ve Allen tuşu(Şekil 5D)kullanarak step motor tutucuyu (12) arka panele (akrilik bölüm 6) sabittutun. M3 vidaları ve Allen tuşu(Şekil 5D)kullanarak step motorunu (11) step motor tutucuya (12) sabitle. M3 vidaları ve Allen tuşu(Şekil 5G)kullanarak kemer idilini (3DP 1) ön panele (akrilik bölüm 10) sabitleyin.
- Baskı yatağı alt montajını Şekil 5A,D,G'yegöre 8 mm'lik bir şaftın (21) her ucunu bir şaft tutucusuna (3DP 2) eşleştirerek çerçeveye yerleştirin.
NOT: Baskı yatağı alt montajını çerçeveye yerleştirmek için alan oluşturmak için ön paneldeki M12 yıkayımlarını (akrilik bölüm 10) gevşetmek gerekebilir. - Son olarak, y eksenini ve baskı yatağı alt montajını tamamlamak için, m3 vida kullanarak kayış idlerine (3DP 1) vidalayın, ardından M2 Allen tuşu ile dişli idler üzerindeki M2 grub vidasını sıkarak step motora dişli idler'ı sabitleyin. Kayışı (17) idler (17) ve idler dişli (17) etrafında ve kayışta gerginlik oluşturmak için kayış kelepçesine (3DP 3) kaydırın. Kemer kelepçesini (3DP 3) M3 Allen tuşu ile sıkarak bölümü tamamlayın.
Şekil 4: Y ekseni ve yazdırma yatağı alt montajını bir araya getirmek için gerekli bileşenler. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: Katkı maddesi imalatı eritme ekstrüzyonu (ADDME) 3D yazıcı. (A) Çerçevenin, y ekseninin ve yatağın grafiksel olarak işlenmesi. (B) Y ekseninin ve yatağın grafiksel olarak işlenmesi. (C) Yatak alt montajının patlamış görünümü. (D) Y ekseninin arka panele nasıl bağlandığına gösteren etiketli görünüm. (E) Mekanik son stoponun yakınlaştırılmış görünümü. (F) Baskı plakası yay tesviye sisteminin patlamış görünümü. (G) Y ekseninin ön panele nasıl bağlandığına gösteren etiketli görünüm. (H) Y ekseninin ve yatağın yan görünüm grafiksel işlemesi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
4. X ekseni alt montaj
NOT: Şekil 6'da özetlenen bölümlerin x ekseni alt montajını tamamlaması gerekmektedir. Tüm vidalar Şekil 6'dagörülür ve aletler Malzeme Tablosundalistelenmiştir.
- Şekil 6'dakiparçaları kullanarak, x ekseni alt aksamının sol tarafını Şekil 7C'yegöre birleştirin.
- Pirinç somunu (18) somun tutucunun içine yerleştirin (3DP 5) ve m3 vidaları ve Allen tuşu(Şekil 7C)kullanarak sol (3DP 8) sol x ekseni yastığına sabitle .
- M4 vidaları ve Allen tuşu(Şekil 7C)kullanarak yastık bloğunu (19) sola (3DP 8) sola sabitle. M3 vidaları ve Allen tuşu(Şekil 7C)kullanarak x ekseni açık 1'i (3DP 9) sola (3DP 8) sabitle.
- Boşta (17), x ekseni açık 1 (3DP 9) ve x ekseni Idler 2 (3DP 10) merkez deliklerini hizala. M3 vidaları ve Allen tuşu(Şekil 7C)kullanılarak emniyete alınmıştır. Şekil 6'dagösterilen parçaları kullanarak, Şekil 7D'yegöre x ekseni alt montajının sağ tarafını birleştirin.
- Pirinç somunu (18) somun tutucunun içine yerleştirin (3DP 5) ve M3 vidaları ve Allen tuşu kullanarak x ekseni yastık sağa (3DP 6) sabit tutun(Şekil 7D).
- M4 vidaları ve Allen tuşu(Şekil 7D)kullanarak yastık bloğunu (19) x ekseni yastık sağa (3DP 6) sabitle. M3 vidaları ve Allen tuşu(Şekil 7D)kullanarak x ekseni sağa (3DP 7) x ekseni yastığının sağına (3DP 6) sabitle. M3 vidaları ve Allen tuşu(Şekil 7D)kullanarak step motorunu (11) x ekseninin sağına (3DP 7) sabitle.
- Şekil 7B'yegöre dişli çubukların (18) her birine pirinç somunların (18) her birine iplik . 8 mm'lik şaftlardan ikisini (20) yastık bloklarının her birine (19) dikey olarak, 8 mm'lik şaftlardan ikisini (20) yatay olarak Şekil 7B,C,D'yegöre kaydırın.
- Kalan parçaları Şekil 6'dan şekil 7E,F'yegöre çerçeveye sabitle.
- M2 vidaları ve Allen tuşu(Şekil 7E,F)kullanarak hem üst panele (akrilik bölüm 2) hem de elektronik muhafaza üst (akrilik bölüm 5) için şaft tutucularından ikisini (3DP 2) sabittutun. M3 vidaları ve Allen tuşu(Şekil 7E)kullanarak yastık bloğu rulmanlarını (15) üst panele (akrilik bölüm 2) sabitle. M3 vidaları ve Allen tuşu(Şekil 7F)kullanarak step motorlarını (11) elektronik kasa üst kısmına (akrilik parça 5) sabitle.
NOT: Bağlayıcı (16), iki farklı şaft boyutunu birbirine bağlamak için tasarlanmış bir bileşendir. - M2 Allen tuşu(Şekil 7F)ile alt grub vidasını sıkarak step motorlarının (11) şaftlarının üzerinde beyiti (16) sabitleyin.
- M2 vidaları ve Allen tuşu(Şekil 7E,F)kullanarak hem üst panele (akrilik bölüm 2) hem de elektronik muhafaza üst (akrilik bölüm 5) için şaft tutucularından ikisini (3DP 2) sabittutun. M3 vidaları ve Allen tuşu(Şekil 7E)kullanarak yastık bloğu rulmanlarını (15) üst panele (akrilik bölüm 2) sabitle. M3 vidaları ve Allen tuşu(Şekil 7F)kullanarak step motorlarını (11) elektronik kasa üst kısmına (akrilik parça 5) sabitle.
- X ekseni alt montajını, dikey 8 mm'lik milleri şaft tutucu (3DP 2) ile hizalayarak çerçeveye yerleştirin ve M2 vidaları ve Allen tuşu ile sıkın(Şekil 7E,F). M2 Allen tuşu(Şekil 7E,F)ile üst grub vidasını sıkarak dişli çubuğu (18) beyitin diğer ucuna (16) sabitleyin.
NOT: Üst panelin (akrilik bölüm 2) x ekseni alt montajÇerçevesine sığabilmesi için geçici olarak kaldırılması gerekebilir.
Şekil 6: X ekseni alt montajını bir araya getirmek için gerekli bileşenler. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 7: X ekseni alt montaj. (a) Çerçeve ve x ekseninin grafiksel olarak işlenmesi. (b) X ekseninin grafiksel işlemesi. (c) Alt montajın sol tarafının patlamış görünümü. (d) Alt montajın sağ tarafının patlamış görünümü. (e) X ekseninin üst panele nasıl bağlandığına gösteren etiketli görünüm. (f) X ekseninin elektronik kasaya nasıl bağlandığına gösteren etiketli görünüm. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
5. Ekstrüzyon alt montajı
NOT: Ekstrüzyon alt montaj, pistonun her iki tarafındaki kuvvetlerin dengelenmesi yle yüksek düzeyde doğruluk elde edilmesini sağlamak için çift step motor tasarımı kullanır. Şekil 8'de özetlenen parçalar ekstrüzyon alt montajını tamamlamak için gereklidir.
- Şekil 8'de gösterilen tüm parçaları toplayın ve ekstrüzyon kafasını Şekil 9'agöre birleştirin.
NOT: Şekil 9B, ekstrüder alt montajının her bileşenin birbirine nasıl uyduğunu gösteren patlamış görünümüdür. Aşağıdaki adımlar bunun nasıl yapıldığını açıklar. Tüm vidalar Şekil 8'degörülür ve aletler Malzeme Tablosundalistelenmiştir.- M4 vidaları ve Allen tuşu(Şekil 9B)kullanarak iki yastık bloğunu (19) ekstrüder arka plakasına (3DP 14) sabitle. Ekstrüder kayış kelepçesini (3DP 13) yastık blokları (19) arasında M3 vidaları ve Allen tuşu(Şekil 9B)kullanarak ekstrüder arka plakasına sabitle .
- Ekstrüder arka plakasını (3DP 14) M3 hex vidaları ve Allen tuşu(Şekil 9B)kullanarak ekstrüder motor tutucuya (3DP 15) sabitle. M3 hex vidaları ve Allen tuşu(Şekil 9B)kullanarak iki step motorunu (11) ekstrüder motor tutucuya (3DP 15) sabitle.
NOT: Bağlayıcı (16), iki farklı şaft boyutunu birbirine bağlamak için tasarlanmış bir bileşendir. - Bir M2 Allen tuşu(Şekil 9B)ile alt grub vidasını sıkarak step motorların (11) şaftlarının üzerinde çiftleyicileri (16) sabitleyin. Üst grub vidasını sıkarak dişli vidayı (18) beyitler (16) içinde sabitleyin(Şekil 9B).
- Isıtmaceketini veya silikon ısıtıcıyı Şekil 9B'yegöre ekstrüder motor tutucuya (3DP 15) kaydırın. M3 vidaları ve Allen tuşunu kullanarak pirinç somunları (18) piston kilidi 1 (3DP 11) içinde sabitleyin.
- Ekstrüzyon kafasını Şekil 9A'yagöre x eksenine monte edin.
- X ekseninde bulunan 8 mm'lik şaftları Şekil 9A'yagöre ekstrüder başlığındaki yastık bloklarına (19) kaydırın.
- Sürücü kemerini (17) idler (17) ve idler dişli (17) sol ve sağ x ekseni montajlarında bulunan sarma ve sürücü kemerini (17) M3 hex vidaları ve Allen tuşu(Şekil 9C)kullanarak ekstrüder kayışı kelepçesinde (3DP 13) sabitle .
Şekil 8: Ekstrüderin montajı için gerekli bileşenler. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 9: Ekstrüder alt montaj. (A) Ekstrüder alt montajının grafiksel işlemesi. (B) Ekstrüder bileşenlerini gösteren patlamış görünüm. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
6. Elektronik ve kablolama
- Arduino'yu akrilik bölüm 7'ye (Şekil 10A'dagösterilen elektronik kefen) M3 Allen tuşu kullanarak M3 hex vidalarla monte edin. Şekil 10A,B'de gösterildiği gibi Arduino kartının üzerine bir rampa tahtası yerleştirin ve AKrilik bölüm 6'ya (arka panel) bakan USB fişi yerleştirin.
- Dc güç kaynağı jakını akrilik bölüm 6'ya monte edin (şekil 10A'dagösterildiği gibi arka panel) ve Şekil 10B'dekigüç kaynağına konektör. Motor kontrolörlerini, step motorlarını, uç duraklarını, ısıtıcıyı ve termokupl'u ilgili pimlere bağlayın(Şekil 10B).
Şekil 10: Elektronik. (A) Elektronik kontrol panosu montaj yerinin grafiksel olarak işlenmesi. (B) Elektrik bileşenlerinin ve motorların 3D baskı tahtasına bağlantı diyagramı [Jos Hummelink (grabcab.com) Arduino ve Rampalar CAD dosyalarını sağladı]. (c) Bitmiş kabloların görüntüsü. Teller Rampalar kurulundan, daha sonra ekstrüzyon kafası ve x/y ekseni motorlara doğru iletilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
7. Yazılım, kontrol ve kalibrasyon
NOT: Daha ayrıntılı talimatlar ve sorun giderme bilgileri için https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4 bkz.
- http://marlinfw.org/meta/download/firmware indirin.
- Repetier https://www.repetier.com/yükleyin.
- https://www.thingiverse.com/Addme/designsbulunan firmware dosya .configuration değiştirin.
- Buad oranını 112500'e ayarlayarak (repetier'de) Yapılandırmak için | Yazıcı Ayarları | Bağlantı | Baud Oranı: 115200.
- Repetier'de Bağlan simgesini tıklatın.
- Bağlandıktan sonra, yazıcı üzerinde tam kontrol sağlanır. Yazdırma yatağını taşımak ve sıcaklığı ayarlamayı denemek için Manuel Denetim'e gidin.
DİkKAT: Şırınga veya gövde bileşenlerinin maksimum sıcaklığının aşılmadığından emin olun (daha fazla bilgi için tartışmaya bakın). Step motorların gücü sınırlı olsa da, eksenin hareketi mekanik bir tehlike oluşturur.
NOT: Bu aşamada tam olarak çalışan bir yazıcı vardır. Aşağıdaki bölümde (bölüm 8), yazıcıyı 3B yazdırmaiçin hazırlama yordamı açıklanmıştır.
8. 3D baskıya hazırlık
- 2 mL'lik bir şırınga, viskoz krema, çikolata veya pluronik gibi istenilen malzemeyle yükleyin (Şekil 11A).
- Şırıngayı ekstrüzyon başına yerleştirmek için, şırıngayı piston kilidi 1'e takarak başlayın (3DP 11, Şekil 11B). Daha sonra, dişli vidaları dikkatlice çevirirken şırıngayı ısıtma ceketine takın (Şekil 11C).
- İsteğe bağlı: yatak tesviye edilmemişse, seviyelemek gerekir. Yazdırma kafasını yukarı ve aşağı hareket ettirin ve yatak ile şırınga başlığı arasındaki mesafenin tutarlı olup olmadığını kontrol edin. Şırınga ve yatak arasında bir kağıt parçası kaydırın ve sürtünme hissediyorum(Şekil 11E),sonra gerekirse yatak seviyesini ayarlamak için M3 Allen tuşu(Şekil 11D)kullanın.
- İsteğe bağlı: Seçilen malzemenin ısıtılması gerekiyorsa, bunu şimdi yapın. Repetier'de Manuel Denetim sekmesine gidin ve sıcaklığı istenilen seviyeye ayarlayın.
Şekil 11: 3D baskı hazırlığı. (A)2 mL şırınga ile yüklenmiş (soldan sağa) viskoz krem (150 mL, Nivea el kremi), çikolata (Cadbury, sade süt), ve Pluronic F-127 (Sigma Aldrich). (B) Pistonlu piston kilidi 1 (3DP 11) içine takılır. (C) Gösterilen bir şırınga ısıtma ceket içine takılı olan, dişli vidalar pirinç fındık üzerinde yakalamak iken. (D) Gösterilen bir Allen tuşu hakkında istinat M3 hex vida içine takılması hakkında, seviye ayarlanmasına izin. (E) Kartvizit daha sonra yatak ve şırınga arasındaki mesafeyi kontrol etmek için şırınga nın altına kaydırılır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
ADDME'nin 3D baskı sırasındaki performansı viskoz krem (150 mL, Nivea el kremi), çikolata (Cadbury, sade süt) ve Pluronic F-127 (Sigma Aldrich) kullanılarak değerlendirildi. Viskoz krema ve çikolata olduğu gibi kullanıldı ve Pluronic ultrasaf su ile% 20 wt çözeltisi içine çözüldü ve gerekli 14 kadar 5 ° C buzdolabında saklandı14,15.
Çizgi testi, kalınlık veya tutarlılık gibi bireysel filament özelliklerini değerlendirmek için temel bir desende yapı plakasına ileri geri bir filament yazdırmayı içeriyordu. Satır testleri, aşağıdaki Denklem 1'de gösterildiği gibi gcode adı verilen bir dizi hareket komutu ile yapılmıştır. Ekstrüzyon için malzeme miktarı Denklem 2 kullanılarak bulunabilir. Kullanılan yazdırma parametreleri Tablo 1'debulunabilir ve sonuçlar Şekil 12A,B,C'degösterilmiştir.
Denklem 1: 3D yazıcı hareketini kontrol etmek için gcode temsilcisi satırı, nerede: G01 geçerli konumu ve X, Y ve Z mm tarafından belirtilen pozisyon arasında doğrusal bir hareket yürütmek için yazıcı söyler; E, bu doğrusal hareket sırasında ekstrüzyon (mm) için malzeme miktarıdır; ve F hızıdır (mm/dk).
Denklem 2: Ekstrüzyon, nerede: E gcode değeri ekstrüder step motor ne kadar aşağı şırınga itmek için söylüyorum; ve D, yazdırma kafasının gcode çizgisi boyunca hareket ettiği mesafedir.
Karmaşık 3B nesneler oluşturmak için, satır sınama için yapılan her kod satırını el ile giremeyiz. Karmaşık 3B nesneler oluşturmak için, yazdırılacak nesnenin standart bir tessellation language (.stl) dosyasına repetier içine girilmesi ve 3B yazdırılabilir gcode içine "dilimlenmiş" olması gerekir. Dilimleyici konfigürasyon yöneticisinde filament çapının iç varil çapı büyüklüğüne, nozulun şırınga iç çapı boyutuna ayarlı olması önemlidir. Yazdırma parametrelerinin tam listesi Tablo 1'deve sonuçlar Şekil 12D,E,F'degösterilmiştir.
| Parametre | Çizgi Testi | 3B Nesne | ||||
| Viskoz Krem | Çikolata | Bioink | Viskoz Krem | Çikolata | Bioink | |
| Şırınga İç Çapı (mm) | 0.33 | 0.84 | 0.33 | 0.33 | 0.84 | 0.33 |
| Namlu İç Çapı (mm) | 9.35 | 9.35 | 9.35 | 9.35 | 9.35 | 9.35 |
| Sıcaklık (°C) | Oda Sıcaklığı | 53 | Oda Sıcaklığı | Oda Sıcaklığı | 53 | Oda Sıcaklığı |
| Hız (mm/dk) | 500 | 500 | 500 | 500 | 500 | 500 |
| Ekstrüzyon (skaler) | 100% | 200% | 150% | 100% | 200% | 150% |
| Levha Mesafesine Şırınga (mm) | ~0.3 | ~1 | ~0,5 | ~0.3 | ~1 | ~0,5 |
Tablo 1: Tüm testler de kullanılan yazdırma parametreleri.
Şekil 12: ADDME 3D baskı sonuçları. (A) Viskoz krem ile çizgi testi. (B) Çikolata ile çizgi testi. (C) Pluronic F-127 ile hat testi. (D) Viskoz krem ile 3D baskılı özel yapılmış nesne. (E) Özel yapılmış nesne 3D çikolata ile basılmış. (F) Pluronic F-127 ile 3D baskılı özel yapılmış nesne. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Yarı katı bir malzeme yazdırılırken X, Y ve Z yoltarifindeki ADDME yazıcısının boyutsal doğruluğunu belirlemek için 1 cm x 1 cm x 1 cm küp basılmış, 3D taranmış ve orijinal küp CAD verileriyle boyutsal olarak karşılaştırılmıştır. 1 cm x 1 cm x 1 cm küp ün çapı 0,33 mm (Birmingham Gauge iğne 23), katman yüksekliği 0,33 mm ve dolgu %15'i kullanılarak viskoz krem kullanılmıştır. Bu küp daha sonra 0,05 mm'ye kadar doğruluk yeteneğine sahip 3D tarayıcı (Artec Spider) ile taradı. Elde edilen veriler Cloud Compare (Open Source Project), 3B nokta bulutdüzenleme ve işleme yazılımı kullanılarak karşılaştırıldı.
Şekil 13: 3D Tarama Karşılaştırması. (A) 1 cm x 1 cm x 1 cm küp CAD modeli haline getirilir. (B) Yazdırılan küpün (inset) 3B tarası. (C) Orijinal model ve 3D tbm, bulut karşılaştırması kullanılarak karşılaştırıldı. 3B modeldeki düğümlerden ve taranmış küpten uzaklıkların histogramı sunulur. C2M mesafeleri her iki modeldeki noktalar arasındaki fiziksel farklılıkları temsil eder. Her iki model de -0,15 mm ve +0,15 mm tolerans ı içindedir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bu protokol, düşük maliyetli erime ekstrüzyon tabanlı 3D yazıcı oluşturmak için ayrıntılı talimatlar sağlar. 3D yazıcının yapısı çerçeve, y ekseni/yatak, x ekseni, ekstrüder, elektronik ve yazılım gibi alt bölümlere ayrılabilir. Bu alt bölümler ayrıntılı diyagramlar, çizimler, dosyalar ve parça listeleri ile sunulur. Bir ADDME 3D yazıcının toplam fiyatı 343 AUD (17/01/2019 itibariyle 245 USD) olarak geliyor ve bu da şu anda bilinen en ucuz, rezervuar tabanlı erime 3D yazıcı yıkılıyor. Bu cihazın lazer kesim, 3D baskılı ve kullanıma hazır bileşenler inkullanımı yla üretimi kolay hale getirilmesi amaçlanmıştır. Bu aygıtın işleyişi, organik şekilli nesnelerin satır testi ve 3D baskısı ile gösterilmiştir. ADDME'nin biyomedikal ve gıda endüstrileri gibi çeşitli uygulamalara uygulanabilirliği viskoz krem, çikolata ve Pluronik F-127 (biyoinks için bir model olarak) kullanılarak gösterilmiştir.
ADDME'nin yapımında kullanılmak üzere kullanılan 3B baskı parçaları, her 3B yazdırılan nesne arasındaki kalite farklılıklarından kaynaklanan zorluklar nedeniyle karmaşık olabilir. 3B baskı parçalarının bükülmesi, küçülmesi veya genişletilmesinin baskı parametreleri ve çevresel faktörlerden etkilendiği bilinmektedir. Polilaktik asit (PLA) kullanımı, büzülme, genişleme veya çözgüden kaynaklanan hataları önemli ölçüde azaltmalıdır; ancak, nem gibi çevresel faktörler hala sorunlara neden olabilir. Olası sorunları en aza indirmek için, 1) baskı parametrelerinin https://www.thingiverse.com/Addme/designsbelirtilenlerle eşleştiğinden emin olunmalıdır , 2) PLA filamenti yenidir (nemden etkilenmez) ve 3) 3D yazıcı üzerinde hava akımı yoktur (artan hava akımı çözgüye neden olabilir). ADDME'nin yapımında kullanılan tüm 3D baskılı parçalar özellikle yazdırılabilmek için tasarlanmıştır ve sarkan geometri için ek destek malzemesi gerektirmez.
Ayrıca baskı malzemesi tutan şırınga ısıtmak için iki yöntem dahildir. İlk seçenek bir ısıtma kartuş ile işlenmiş ısıtma ceket, ve ikinci bir silikon ısıtma paspas olduğunu. İşlenmiş ısıtma ceketi tüm şırınga için düzgün ısıtma sağlar ve yüksek ısı iletkenliği için alüminyumdan yapılması tavsiye edilir. Uygun uzmanlık veya tesislere erişimi olmayan bireyler için bir ısıtma ceketi temin etmek zor olabilir. Bu durumda, bir silikon ısıtıcı malzemeye yeterli ısıtma sağlamak için şırınga etrafında sarılmış olabilir. Her iki durumda da, ısıtma bileşeni elektronik kart üzerinde aynı pimleri bağlı ve aynı şekilde kontrol edilir.
Şırıngaya uygulanabilecek maksimum sıcaklık şırınga malzemesi ve şırıngayı çevreleyen 3D baskılı malzemelerle sınırlıdır. Jenerik bir PLA kullanılırsa, şırıngaya uygulanabilecek maksimum sıcaklık ~60 °C'dir; ancak, özel yüksek sıcaklık PLA ~ 110 ° C maksimum sıcaklık elde etmek için kullanılabilir. Şırınganın kendisi polipropilen (PP) varil ve yüksek yoğunluklu polietilen (HDPE) pistonlu yapılır. Bu protokolde belirtilen şırınga maksimum çalışma sıcaklığı belirtmez, ancak ceket malzemeleri nedeniyle yaklaşık 110 °C'ye kadar güvenlidir. Malzeme Tablosunda yer almayan şırıngaların daha düşük erime noktasına sahip malzemelerden yapılabileceği unutulmamalıdır.
Şekil 12'deki sonuçlar, bu 3B yazdırma sisteminin hat testi ve nesne yazdırma yoluyla çalışmasını göstermektedir. Hat testi yapılırken, farklı sonuçlar elde etmek için viskoz krema, çikolata ve Pluronic F-127(Tablo 1)ile farklı baskı parametreleri kullanılır. El kremi ile kullanılan küçük meme boyutu(Şekil 12A)daha ince bir çizgi ile sonuçlanırken, plaka mesafesine kadar olan alt şırınga daha keskin köşelerle sonuçlanır. Çikolata için, %200'e ayarlanmış akışla bile tutarlı bir çikolata akışı elde etmek zordu(Şekil 12B). Şekil 12D,E,F'de,çikolata ve Pluronik F-127'nin koninin yüksekliği azaldıkça viskoz kremden daha kötü şekil tutma özellikleri gösterdiği açıktır. Tablo 1'de listelenen baskı parametrelerinin her biri, şırınga çapı, şırıngadan plakaya uzaklık, sıcaklık, hız ve ekstrüzyon dahil olmak üzere üretilen filamentin son geometrisi üzerinde önemli bir etkiye sahiptir.
CAD modelinin 3D bulut karşılaştırması ve Şekil 13'te 1 cm x 1 cm küp taranan 3D bulut karşılaştırması, ADDME yazıcının -0,15 mm ile +0,15 mm arasında bir toleransla yazdırabildiğini göstermektedir. Negatif mesafelere kıyasla pozitif bölüme daha büyük bir fark vardır. Bu, katmanların daha kalın yazdırmak üzere programlandığı 3B yazdırılan parçaların taban katmanlarında meydana gelme eğilimindedir; bu nedenle, aşırı ekstrüzyon oluşur ve iğne ucu Şekil 13B'degösterildiği gibi ek baskı malzemesini parçanın üzerine sürükler. İlk katman yüksekliği ve hızı, ekstrüzyon akış hızı gibi yazıcı parametrelerinin daha ince ayarlanması ve yapı plakasının düz olmasını sağlayarak ek geometrik doğruluk elde edilebilir. Bu sonuçlar, ADDME yazıcının viskoz krema, çikolata veya Pluronic F-127 gibi yarı katı malzemeleri yazdırmak için gereken baskı doğruluğunu elde edebildiğini göstermektedir.
ADDME 3D yazıcının başarılı tasarımı ve yapısı, farklı malzemelerden ve baskı parametrelerinden yapılmış baskı çizgileri ve nesnelerle doğrulanmıştır. Bu biyofabrikasyon ve gıda endüstrisinde bu yazıcının bir uygulama olduğu gösterilmiştir. ADDME yazıcı, maliyetleri azaltarak, bileşen sayısını en aza indirerek ve en son elektronik ve yazılım bileşenlerini/uygulamalarını kullanarak önceki nesil giriş seviyesi, rezervuar tabanlı, ekstrüzyon yazıcılarını eritmiştir. Bu projenin açık kaynak yapısı, gelecekte diğer kullanıcıların belirli uygulamalar için değişiklik veya değişiklik yapabileceğinizi gösterir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.
Acknowledgments
Bu araştırma, kamu, ticari veya kar amacı gütmeyen sektörlerde finansman kurumlarından herhangi bir özel hibe almadı. Florian Schmittner, Sandro Gorka, Gurinder Singh, Vincent Tran ve Dominik Vu'ya tasarımın daha önceki bir prototipine yaptıkları katkılardan dolayı özel teşekkür.
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).
