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Bioengineering

设计开源、低成本生物墨水和食品熔炼挤出3D打印机

Published: March 2, 2020 doi: 10.3791/59834
* These authors contributed equally

Summary

这项工作的目的是设计和建造一种基于储层的熔融挤出三维打印机,该打印机由开源和低成本组件制成,用于生物医学和食品印刷行业。

Abstract

三维 (3D) 打印是一种日益流行的制造技术,它允许制造高度复杂的物体,无需重新加工成本。这种日益普及的部分原因在于进入壁垒的下降,如系统设置成本和操作简便性。以下协议介绍了用于制造定制零件和组件的增材制造熔体挤出 (ADDME) 3D 打印机的设计和构造。ADDME 采用 3D 打印、激光切割和在线采购组件的组合进行设计。该协议被安排成易于遵循的部分,在框架、y 轴和床、x 轴、挤出、电子和软件的标题下包含详细的图表和部件列表。ADDME 的性能通过挤出测试和使用粘性奶油、巧克力和 Pluronic F-127(生物油墨模型)的复杂物体的 3D 打印来评估。结果表明,ADDME是一个能够制造材料的平台,用于各种行业的结构。详细图表和视频内容的组合便于对复杂物体进行 3D 打印的个人访问低成本、易于操作的设备。

Introduction

增材制造是一种强大的制造技术,有可能为工业景观1、2提供显著价值。增材制造极具吸引力的特点,不涉及刀具成本、高定制水平、复杂的几何形状以及降低进入成本的障碍。任何改装成本都不允许快速制造原型,这是试图缩短"上市时间"时可取的,这是发达国家试图保持对低工资竞争对手竞争力的关键目标高度的可定制性允许使用复杂的几何形状制造各种各样的产品。当这些因素与设置、材料和操作员专业化的低成本相结合时,增材制造技术具有明显的价值3

增材制造,也称为3D打印,涉及在计算机数控(CNC)系统中逐层制造物体3。与传统的 CNC 工艺(如铣削)不同,3D 打印系统逐层将材料添加到所需的结构中, 从纸张或材料块中去除材料。

3D打印可以通过一系列方法,包括激光,闪光,挤出,或喷射技术4。采用的特定技术决定了原材料的形式(即粉末或熔体),以及加工所需的电融和热特性基于挤出的 3D 打印市场以长丝系统为主,这是因为长丝易于处理、加工,并不断向挤出头提供大量材料。然而,这一过程受到能够形成长丝(主要是热塑性塑料)的材料类型的限制。大多数材料并不以长丝形式存在,市场上缺乏现代低成本平台,这是一个明显的差距。

该协议显示了基于储层的挤出系统的构建,允许将材料储存在注射器中并通过针头挤出。该系统非常适合制造各种材料,包括食品6、聚合物7和生物材料8、9。此外,与其他 3D 打印方法相比,基于储层的挤出技术通常危害性小、成本更低且更易于操作。

越来越多的大学领导的团队设计和向公众发布开源 3D 打印系统。从2007年10月11日Fab@Home挤出式打印机开始,研究人员的目标是创建一个简单而廉价的平台,以推动3D打印技术和应用的快速扩展。2011 年晚些时候,RepRap 项目旨在创建一个基于长丝的 3D 打印平台,该平台由 3D 打印部件设计,目标是创建一个自我复制机器12。多年来,3D打印机的成本一直在下降,从2300美元Fab@Home(2006年),573美元对RepRap v1(2005年),和400美元v2(2011年)。

在之前的工作中,我们演示了如何将自体 3D 打印系统与基于储层的自定义挤出系统相结合,以从巧克力13创建复杂的 3D 对象。进一步的设计研究表明,与这种原型设计相比,可以节省大量成本。

该协议的目的是为建造低成本的储层型熔融挤出3D打印机提供说明。此处提供了详细的图表、图纸、文件和组件列表,以便成功构建和操作 3D 打印机。所有组件都托管在开源(创意共享非商业)平台上https://www.thingiverse.com/Addme/collections,允许用户根据需要更改或添加其他功能。粘性奶油、巧克力和普鲁尼克 F-127(生物油墨模型)用于评估 ADDME 的性能,并演示 ADDME 3D 打印机在生物医学和食品印刷行业的应用。

该协议需要能够切割丙烯酸的激光切割机和能够打印 PLA 或 ABS 灯丝的桌面 3D 打印机。机器加热护套和加热器盒或硅胶加热器可用于加热材料,具体取决于操作员可以使用的设备。所有CAD文件都可以在https://www.thingiverse.com/Addme/designs找到。对于控制 3D 打印机的固件和软件,分别提供了http://marlinfw.org/meta/download/https://www.repetier.com/资源。有关控制板的详细说明,请参阅https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4。

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Protocol

注意:热焊接熨斗和加热盒有灼伤的风险。加热盒在加热护套内未固定时,切勿通电。移动的 3D 打印机轴也存在挤压或撕裂的风险。

1. 概述和准备

注:图 1A显示了计算机生成的打印机渲染,图 1B是成品打印机的照片。

  1. 材料表采购所有零件。
  2. 有关激光切割的所有丙烯酸部件,请参阅https://www.thingiverse.com/Addme/designs。确保使用 6 mm 丙烯酸或框架不合在一起。激光切割机使用高能激光切割材料;这里最好有专业商店。
  3. 有关所有 3D 打印零件,请参阅https://www.thingiverse.com/Addme/designs。使用每个零件指定的打印参数非常重要。请注意,3D 打印机具有热表面和移动部件,因此请使用专业人员的帮助。
  4. 制造加热护套部件,https://www.thingiverse.com/Addme/designs。 如果没有可用的制造能力,可以使用https://www.thingiverse.com/Addme/designs找到的关联 3D 打印支架购买硅胶加热器(材料表)。

Figure 1
图1:增材制造熔体挤出(ADDME)3D打印机。A) 计算机生成的打印机渲染.(B) 成品打印机的照片。请点击此处查看此图的较大版本。

2. 框架组件

注: 完成框架组件需要图 2所示的零件。熔体挤出 3D 打印机的框架由 6 mm 激光切割丙烯酸和 M3 螺栓和螺母组合在一起(图 3)。使用 M10 螺纹杆和螺母组合进一步加固打印机底部。

  1. 收集丙烯酸部件1-9,并将其放在起,如图3A所示的配置中。检查图形标签以确保每块都正确定位。使用 M3 Allen 键在图 3 C所示的配置中使用 M3 螺钉和螺母进行固定。
  2. 将 M10 螺纹杆穿过丙烯酸个成员 6、8 和 10 上的用途孔。用 M10 洗紧器和螺母固定它们,如图3B,D所示。用可变扳手拧紧。

Figure 2
图 2:装配框架所需的组件。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 3
图 3:框架组件。A) 装配框架.(B) 带有标记丙烯酸零件和支撑 M10 螺纹棒的爆炸视图。(C) 显示每个丙烯酸部件如何相互连接的爆炸视图,使用 M3 螺钉和螺母将框架固定在一起。(D) 显示螺纹杆如何将丙烯酸部件 6、8 和 9 与 M10 螺母和焊器结合的爆炸视图。请点击此处查看此图的较大版本。

3. Y轴和印刷床子组件

注:图 4中概述的零件需要完成 y 轴和打印床子组件。所有螺钉都参见图4,工具列在"材料表"中。

  1. 使用图4中的零件,根据图5C组装打印床子装配头。
    1. 根据图5C,将两个枕块(19)滑到每个8毫米轴(21)上。根据图 5E,使用 M2 螺钉和 Allen 键将端挡 (3DP 4) 滑到 8 mm 轴 (21) 的其中一个上,并使用 M2 螺钉和 Allen 键固定机械端挡 (14)。
    2. 使用 M4 螺钉和 Allen 键(图 5C) 将所有四个枕块 (19) 固定到安装床(丙烯酸部分 12)。使用 M3 螺钉和 Allen 键(图 5C) 将皮带夹 (3DP 3) 固定到安装床(丙烯酸部分 12) 上。根据图 5F,使用 M3 螺钉、螺母和弹簧布置将打印床(丙烯酸部分 11)固定到安装床 (12) (图5C)上。
  2. 根据图 5D,G将剩余部件从图 4固定到框架。
    1. 根据图 5D,G,分别使用 M2 螺钉和 Allen 键将两个轴支架 (3DP 2) 固定到后面板(丙烯酸部分 6)和前面板(丙烯酸部分 10)。
    2. 使用 M3 螺钉和 Allen 键(图 5D) 将步进电机支架 (12) 固定到后面板(丙烯酸部件 6)。使用 M3 螺钉和 Allen 键将步进电机 (11) 固定到步进电机支架 (12) 上(图 5D)。使用 M3 螺钉和 Allen 键(图 5G) 将皮带怠速器 (3DP 1) 固定到前面板(丙烯酸部件 10)。
  3. 根据图 5A、D、G,将 8 mm 轴 (21) 的两端与轴支架 (3DP 2) 匹配,将打印床子组件放入框架中。
    注: 可能需要松开前面板上的 M12 垫片(丙烯酸部件 10),以创建空间将打印床子组件放入框架中。
  4. 最后,要完成 y 轴和打印床子组件,使用 M3 螺钉将怠速器拧到皮带怠速器 (3DP 1) 上,然后通过用 M2 Allen 键拧紧怠速器齿上的 M2 磨砂螺钉,将怠速器齿固定在步进电机上。将皮带 (17) 滑绕怠速器 (17) 和怠速器齿形 (17),并滑入皮带夹 (3DP 3),在皮带中产生张力。使用 M3 Allen 键拧紧皮带夹 (3DP 3)完成该部分。

Figure 4
图4:组件需要把y轴和打印床子组件放在一起请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 5
图5:增材制造熔体挤出(ADDME)3D打印机。(A) 框架、y 轴和床的图形渲染.(B) y 轴和床的图形渲染.(C) 床子组件的爆炸视图。(D) 显示 y 轴如何连接到后面板的标记视图。(E) 放大缩小字体功能 放大缩小字体功能(F) 印版弹簧水平系统的爆炸视图。(G) 显示 y 轴如何连接到前面板的标记视图。(H) y 轴和床的侧视图图形渲染。请点击此处查看此图的较大版本。

4. X 轴子装配体

注:完成 x 轴子装配体需要图 6中概述的零件。所有螺钉都参见图6,工具列在"材料表"中。

  1. 使用图 6中的零件,根据图 7C装配 x 轴子组件的左侧。
    1. 将黄铜螺母 (18) 放在螺母支架 (3DP 5) 内,并使用 M3 螺钉和 Allen 键(图 7C) 固定到左侧的 x 轴枕头 (3DP 8)。
    2. 使用 M4 螺钉和 Allen 键(图 7C) 将枕头块 (19) 固定到左侧 x 轴枕头 (3DP 8) 上。使用 M3 螺钉和 Allen 键(图 7C) 将 x 轴怠速器 1 (3DP 9) 固定到左侧 x 轴枕头 (3DP 8)。
    3. 对齐怠速器 (17)、x 轴怠速器 1 (3DP 9) 和 x 轴怠速器 2 (3DP 10) 的中心孔。使用 M3 螺钉和 Allen 键固定(图 7C)。使用图 6所示的零件,根据图 7D装配 x 轴子组件的右侧。
    4. 将黄铜螺母 (18) 放在螺母支架 (3DP 5) 内,并使用 M3 螺钉和 Allen 键(图 7D) 固定到 X 轴枕头(3DP 6)。
    5. 使用 M4 螺钉和 Allen 键(图 7D) 将枕头块 (19) 固定到右侧 x 轴枕头 (3DP 6) 上。使用 M3 螺钉和 Allen 键(图 7D) 将 x 轴右侧 (3DP 7) 固定到 x 轴枕头 (3DP 6)。使用 M3 螺钉和 Allen 键(图 7D) 将步进电机 (11) 固定到右侧 x 轴 (3DP 7)。
  2. 根据图7B,将每个螺纹棒(18)螺纹入每个黄铜螺母(18)。根据图 7B、C、D,将两个 8 mm 轴(20)垂直滑入每个枕头块 (19),将两个 8 mm 轴 (20) 水平滑动到每个枕头块中。
  3. 根据图 7E,F将剩余部件从图 6固定到框架。
    1. 使用 M2 螺钉和 Allen 键(图 7E,F) 将两个轴支架 (3DP 2) 固定到顶部面板(丙烯酸部分 2)和电子外壳顶部(丙烯酸部件 5)。使用 M3 螺钉和 Allen 键(图 7E) 将枕头块轴承 (15) 固定到顶部面板上(丙烯酸部分 2)。使用 M3 螺钉和 Allen 键(图 7F) 将步进电机 (11) 固定到电子外壳顶部(丙烯酸部件 5)。
      注: 耦合器 (16) 是设计用于连接两种不同轴尺寸的部件。
    2. 使用 M2 Allen 键拧紧下部磨砂螺钉(图 7F),将耦合器 (16) 固定在步进电机 (11) 的轴上。
  4. 将垂直 8 mm 轴与轴支架 (3DP 2) 对齐,并使用 M2 螺钉和 Allen 键拧紧(图 7E,F),将 x 轴子组件放入机架中。使用 M2 Allen 键拧紧上部磨砂螺钉(图 7E,F),将螺纹杆 (18) 固定到耦合器 (16) 的另一端。
    注: 顶部面板(丙烯酸部件 2)可能需要暂时拆下,以便 x 轴子组件可以安装到框架中。

Figure 6
图 6:将 x 轴子组件组合在一起的零部件请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 7
图7:X轴子组件。(a) 框架和 x 轴的图形渲染.(b) x 轴的图形渲染。(c) 子组件左侧的分解视图。(d) 子组件右侧的分解视图。(e) 显示 x 轴如何连接到顶部面板的标记视图。(f) 显示 x 轴如何连接到电子外壳的标记视图。请点击此处查看此图的较大版本。

5. 挤出子组件

注:挤出子组件采用双步进电机设计,确保通过平衡柱塞两侧的力来实现高精度。图 8中概述的零件是完成挤出子装配体所必需的。

  1. 收集图 8所示的所有零件,并根据图 9组装挤出头。
    注:图 9B是拉伸子组件的分解视图,显示每个组件如何组合在一起。以下步骤说明了如何完成此操作。所有螺钉都参见图8,工具列在"材料表"中。
    1. 使用 M4 螺钉和 Allen 键(图 9B) 将两个枕头块 (19) 固定到挤出板背板 (3DP 14) 上。使用 M3 螺钉和 Allen 键(图 9B) 将挤出机皮带夹 (3DP 13) 固定在枕头块 (19) 之间的挤出机背板 (3DP 14) 上。
    2. 使用 M3 六角螺钉和 Allen 键将挤出机背板 (3DP 14) 固定到挤出机电机支架 (3DP 15) 上(图 9B)。使用 M3 六角螺钉和 Allen 键将两个步进电机 (11) 固定到挤出机电机支架 (3DP 15) 上(图 9B)。
      注: 耦合器 (16) 是设计用于连接两种不同轴尺寸的部件。
    3. 用 M2 Allen 键拧紧下部磨砂螺钉(图 9B),将耦合器 (16) 固定在步进电机 (11) 的轴上。通过拧紧上磨钉(图 9B) 将螺纹螺钉 (18) 固定在耦合器 (16) 内。
    4. 根据图 9B将加热护套或硅胶加热器滑入挤出机电机支架 (3DP 15)。使用 M3 螺钉和 Allen 钥匙将黄铜螺母 (18) 固定在柱塞锁 1 (3DP 11) 内。
  2. 根据图 9A将挤压头安装到 x 轴上。
    1. 根据图 9A将 x 轴上的 8 mm 轴滑入挤出机头上的枕头块 (19)。
    2. 将传动带 (17) 包裹在位于左侧和右侧 x 轴总成的怠速器 (17) 上,并使用 M3 六角螺钉和 Allen 键(图 9C) 将传动带 (17) 固定在挤出皮带夹 (3DP 13) 中。

Figure 8
图8:装配挤出机所需的部件请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 9
图9:挤出机子装配体。(A) 挤出机子组件的图形渲染.(B) 显示挤出机零部件的分解视图。请点击此处查看此图的较大版本。

6. 电子和布线

  1. 使用 M3 Allen 键将 Arduino 安装到丙烯酸部件 7(电子护罩,如图 10A所示)。在面向 Arduino 板的斜坡板上插入一个斜坡板,如图10A,B所示,带 USB 插头的丙烯酸部件 6(后面板)。
  2. 将直流电源插孔安装在丙烯酸部件 6(后面板,如图10A所示)中,并将连接器安装到图 10B中的电源上。将电机控制器、步进电机、端挡、加热器和热电偶连接到相应的引脚(图10B)。

Figure 10
图10:电子。(A) 电子控制板安装位置的图形渲染.(B) 电气部件和电机与 3D 打印板的连接图 [Jos Hummelink (grabcab.com) 提供了 Arduino 和 Ramps CAD 文件]。(c) 已完成布线的图像。可以看到导线从斜坡板通向挤出头和 x/y 轴电机。请点击此处查看此图的较大版本。

7. 软件、控制和校准

注:有关更详细的说明和故障排除信息,请参阅https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4。

  1. http://marlinfw.org/meta/download/下载固件。
  2. 安装https://www.repetier.com/。
  3. 替换https://www.thingiverse.com/Addme/designs中的固件中的文件 .配置。
  4. 通过将"回复"设置为"配置"(以重现率)将 buad 速率设置为 112500 打印机设置 |连接 |波特率: 115200.
  5. 单击"连接"图标。
  6. 连接后,可以完全控制打印机。导航到手动控制以移动打印床并尝试设置温度。
    注意:确保不超过注射器或外壳部件的最高温度(有关详细信息,请参阅讨论)。虽然步进电机的功率有限,但轴的运动会带来机械危险。
    注: 在此阶段,有一台完全运行的打印机。在以下部分(第 8 节)中,介绍了使打印机准备好进行 3D 打印的过程。

8. 3D打印的准备

  1. 用所需的材料(如粘性奶油、巧克力或乳胶)装载 2 mL 注射器(图 11A)。
  2. 要将注射器放入挤出头,请首先将注射器插入柱塞锁 1 (3DP 11,图 11B)。接下来,将注射器插入加热护套,同时小心转动螺纹螺钉(图 11C)。
  3. 可选:如果床尚未平平,则需要将其平平。左右移动打印头,然后上下移动,并检查床和注射器喷嘴之间的距离是否一致。在注射器和床之间滑动一张纸,感受摩擦力(图11E),然后使用M3 Allen键(图11D)根据需要调整床的水平。
  4. 可选:如果所选材料需要加热,现在就执行。导航到"手动控制"选项卡,并将温度设置为所需的水平。

Figure 11
图11:3D打印准备。(A) 装有(从左至右)粘性奶油(150 mL,尼维娅手霜)、巧克力(卡百利、普通牛奶)和普鲁罗尼克 F-127(西格玛·奥尔德里希)的 2 mL 注射器。(B) 柱塞插入柱塞锁 1 (3DP 11)。(C) 所示是将注射器插入加热护套,而螺纹螺钉则卡在黄铜螺母上。(D) 所示是即将插入固定 M3 六角螺钉的 Allen 键,允许调整液位。(E) 名片然后滑到注射器下面,以检查床和注射器之间的距离。请点击此处查看此图的较大版本。

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Representative Results

ADDME在3D打印过程中的性能使用粘性奶油(150 mL,尼维娅手霜)、巧克力(吉百利、普通牛奶)和普鲁罗尼克F-127(西格玛·奥尔德里希)进行评估。粘性奶油和巧克力被使用为现在,和Pluronic溶解成20%wt溶液与超纯水,并储存在5°C,直到需要14,15。

线测试涉及以基本模式在构建板上来回打印灯丝,以评估单个灯丝属性,如厚度或一致性。线路测试使用一系列称为 gcode 的移动命令进行,如下所述公式 1 所示。可以使用公式 2 找到要拉伸的材料量。使用的打印参数可在表 1中找到,结果如图12A、B、C所示。

Equation

公式 1:用于控制 3D 打印机移动的 gcode 代表线,其中:G01 告诉打印机在当前位置和 X、Y 和 Z mm 指定的位置之间进行线性移动;E 是在此线性移动期间要拉伸 (mm) 的材料量;和 F 是速度(毫米/分钟)。

Equation

公式2:挤出,其中:E是gcode值,告诉挤出机步进电机向下推注射器有多远;和 D 是打印头在 gcode 行中移动的距离。

要创建复杂的 3D 对象,我们不能手动输入每行代码,这是为行测试完成的。要创建复杂的 3D 对象,必须将要打印的对象输入到标准镶嵌语言 (.stl) 文件中,并将其"切片"到 3D 可打印 gcode 中。在切片机配置管理器中,灯丝直径设置为内筒直径的大小,喷嘴设置为注射器内径的大小,这一点至关重要。打印参数的完整列表如图1所示,结果如图12D、E、F所示。

参数 生产线测试 3D 对象
粘性奶油 巧克力 比奥因克 粘性奶油 巧克力 比奥因克
注射器内径(毫米) 0.33 0.84 0.33 0.33 0.84 0.33
桶内径(毫米) 9.35 9.35 9.35 9.35 9.35 9.35
温度 (°C) 房间温度 53 房间温度 房间温度 53 房间温度
速度(毫米/分钟) 500 500 500 500 500 500
挤出(标量) 100% 200% 150% 100% 200% 150%
注射器到板的距离(毫米) ±0.3 ≤1 ±0.5 ±0.3 ≤1 ±0.5

表 1:在所有测试中使用的打印参数。

Figure 12
图12:ADDME 3D打印结果(A)粘性奶油线测试。(B) 用巧克力进行线测试.(C) 使用普鲁罗尼克 F-127 进行线测试.(D) 定制对象 3D 打印与粘性奶油。(E) 用巧克力定制物体3D打印。(F) 定制对象 3D 打印与普鲁罗尼克 F-127。请点击此处查看此图的较大版本。

为了确定在打印半实体材料时在 X、Y 和 Z 方向中的 ADDME 打印机的尺寸精度,请打印 1 厘米 x 1 厘米 x 1 厘米的立方体,进行 3D 扫描,并相对于原始立方体 CAD 数据进行尺寸比较。粘性霜用于打印 1 厘米 x 1 厘米 x 1 厘米立方体,使用喷嘴直径为 0.33 mm(伯明翰仪表针 23),层高度为 0.33 mm,填充 15%。然后,使用测量等级为 3D 扫描仪(Artec Spider)扫描该立方体,其精度高达 0.05 mm。使用云比较(开源项目)、3D 点云编辑和处理软件对结果数据进行比较。

Figure 13
图13:3D扫描比较。(A) 制作成 CAD 模型的 1 厘米 x 1 厘米 x 1 厘米立方体。(B) 打印立方体的 3D 扫描(内集)。(C) 使用云比较比较原始模型和 3D 扫描。给出了3D模型中节点和扫描立方体距离的直方图。C2M 距离表示两个模型中各点之间的物理差异。两种型号的容差均为-0.15 mm和±0.15 mm。请点击此处查看此图的较大版本。

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Discussion

该协议提供了构建低成本的基于熔融挤出的 3D 打印机的详细说明。3D 打印机的构造可以细分为多个部分,包括框架、y 轴/床、x 轴、挤出机、电子和软件。这些小节提供了详细的图表、图纸、文件和零件列表。ADDME 3D 打印机的总价为 343 澳元(截至 2019 年 17 月 17 日的 245 美元),是目前已知的最便宜的基于储层的熔融挤出 3D 打印机。它旨在通过使用激光切割、3D 打印和现成的组件,使该设备易于制造。该装置的功能已经通过线测试和有机形状物体的3D打印得到了证明。ADDME在生物医学和食品行业等不同应用中的适用性已经使用粘性奶油、巧克力和普鲁尼克F-127(作为生物油墨的模型)得到了证明。

由于每个 3D 打印对象之间的质量差异导致困难,用于 ADDME 构造的 3D 打印部件可能会很复杂。已知 3D 打印部件的变形、收缩或扩展受打印参数和环境因素的影响。使用聚乳酸(PLA)应大大减少因收缩、膨胀或翘曲引起的误差;然而,湿度等环境因素仍然会引起问题。为了尽量减少任何潜在问题,应确保 1) 打印参数与https://www.thingiverse.com/Addme/designs上指定的参数匹配;2) PLA丝是新的(不受湿度影响),3) 3) 3D 打印机上没有气流(增加气流可能导致翘曲)。ADDME 结构中使用的所有 3D 打印零件都经过专门设计,易于打印,无需为悬垂几何体提供额外的支撑材料。

还包括两种加热注射器的方法,用于存放印刷材料。第一种选择是带加热盒的加工加热护套,第二个选项是硅胶加热垫。加工加热护套为整个注射器提供均匀的加热,建议采用铝制成,用于高导热性。没有适当的专门知识或没有设施的个人可能很难购买加热夹克。在这种情况下,硅胶加热器可以包裹在注射器周围,为材料提供足够的加热。在这两种情况下,加热组件都连接到电子板上的同一引脚,并且以相同的方式进行控制。

可应用于注射器的最高温度受注射器材料和注射器周围的 3D 打印材料的限制。如果使用通用 PLA,则可应用于注射器的最高温度为 +60 °C;然而,特种高温PLA可用于达到+110°C的最高温度。注射器本身由聚丙烯 (PP) 桶和高密度聚乙烯 (HDPE) 柱塞制成。本协议中指定的注射器未指定最高工作温度,但由于护套材料,其安全温度高达约 110°C。应当指出,材料表中未列出的注射器可能由熔点较低的材料制成。

图 12中的结果通过线测试和对象打印演示了此 3D 打印系统的运行情况。在进行线测试时,不同的打印参数与粘性奶油、巧克力和普鲁罗尼克 F-127(表 1)一起使用,以达到不同的结果。与护手霜一起使用的小喷嘴尺寸(图12A)会导致线条更薄,而较低的注射器到板的距离则产生更清晰的角落。对于巧克力,即使流量设置为 200%,也很难获得一致的巧克力流量(图 12B)。图12D,E,F中,很明显,巧克力和Pluronic F-127表现出比粘性奶油更差的形状保持性能,因为圆锥体的高度降低。表 1中列出的每个打印参数对所生产的灯丝的最终几何形状都有显著影响,包括注射器直径、注射器到板的距离、温度、速度和挤出。

图 13中 CAD 模型和 3D 扫描的 1 厘米 x 1 厘米 x 1 厘米立方体的 3D 云比较显示,ADDME 打印机的打印公差介于 -0.15 mm 和 ±0.15 mm 之间。与负距离相比,正部分的方差较大。这往往发生在 3D 打印零件的基层,其中图层被编程为打印更厚;因此,发生过度拉伸,针尖将额外的打印材料拖过零件,如图13B所示。通过对打印机参数进行微调(如初始层高度和速度、拉伸流速以及确保构建板是水平),可以实现额外的几何精度。这些结果表明,ADDME 打印机能够达到打印半固体材料(如粘性奶油、巧克力或普鲁尼克 F-127)所需的打印精度水平。

ADDME 3D 打印机的成功设计和构造已通过打印线条和由不同材料和打印参数制成的物体进行验证。实践证明,该打印机在生物制造和食品工业中的应用。ADDME 打印机通过降低成本、最大限度地减少组件数量以及使用最新的电子和软件组件/实践,改进了前几代基于储层的熔融挤出打印机。此项目的开源性质表明,将来,其他用户可以对特定应用程序进行更改或更改。

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Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

这项研究没有得到公共、商业或非营利部门供资机构的任何具体资助。特别感谢弗洛里安·施密特纳、桑德罗·戈尔卡、古林德·辛格、文森特·特兰和多米尼克·武在早期设计原型上的贡献。

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

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References

  1. 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).
  2. Gilchrist, A. Introducing Industry 4.0. Industry 4.0. , 195-215 (2016).
  3. 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).
  4. Wong, K., Hernandez, A. A Review of Additive Manufacturing. ISRN Mechanical Engineering. 10, (2012).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Stansbury, J. W., Idacavage, M. J. 3D printing with polymers: Challenges among expanding options and opportunities. Dental Materials. 32 (1), 54-64 (2016).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Malone, E., Lipson, H. Fab@Home: the personal desktop fabricator kit Article information. Rapid Prototyping Journal. 13 (4), 245-255 (2007).
  11. Vilbrandt, T., Malone, E., Lipson, H., Pasko, A. Universal Desktop Fabrication. Heterogeneous Objects Modelling and Applications. , 259-284 (2008).
  12. Jones, R., et al. RepRap-the replicating rapid prototyper. Robotica. 29, 177-191 (2011).
  13. Lanaro, M., et al. 3D printing complex chocolate objects: Platform design, optimization and evaluation. Journal of Food Engineering. , (2017).
  14. Wu, W., DeConinck, A., Lewis, J. A. Omnidirectional Printing of 3D Microvascular Networks. Advanced Materials. 23 (24), H178-H183 (2011).
  15. 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).

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生物工程,第157期,3D打印,增材制造,熔体挤出,开源,食品,生物印刷,生物油墨
设计开源、低成本生物墨水和食品熔炼挤出3D打印机
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Lanaro, M., Skewes, J., Spiers, L.,More

Lanaro, M., Skewes, J., Spiers, L., Yarlagadda, P. K., Woodruff, M. A. Design of an Open-Source, Low-Cost Bioink and Food Melt Extrusion 3D Printer. J. Vis. Exp. (157), e59834, doi:10.3791/59834 (2020).

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